通過對中(zhōng)國傳統榫卯工(gōng)藝的深入研究，利用廢棄紙(zhǐ)張和聚丙烯（PP）材料，構建了一(yī)種新型的榫卯結構摩擦納米發電(diàn)機（MT-TENG），這種新結構可以實現高度的堅固性和空間分(fēn)割。
随着科學技術的進步和發展，人類社會正迅速進入物(wù)聯網和人工(gōng)智能時代，許多新的智能可穿戴設備應運而生(shēng)。智能可穿戴設備在運動傳感、人體(tǐ)健康監測、實時環境變化監測等方面發揮着至關重要的作用。對于這些智能可穿戴設備來說，穩定和連續的能源供應是實現其正常工(gōng)作的重要條件。目前，智能可穿戴設備中(zhōng)的運動傳感器主要由傳統的電(diàn)源供電(diàn)，但這些能源供應方法存在使用壽命短、循環穩定性差、環境污染等缺點。近年來，基于摩擦起電(diàn)效應和靜電(diàn)感應耦合的摩擦納米發電(diàn)機（Triboelectricnanogenerator，TENG），因其具有體(tǐ)積小(xiǎo)，同時能夠将環境中(zhōng)無法獲得的能源轉化爲可用的電(diàn)能來産生(shēng)具有巨大(dà)應用潛力的可再生(shēng)能源而備受關注。然而，對于傳統的栅格結構在空間利用率和穩定性方面有改進的餘地。爲了進一(yī)步提高輸出性能，必須設計一(yī)種結構穩定、空間利用率高的新結構。同時，榫卯結構是中(zhōng)國古代建築、家具和其他設備的主要結構方法，是一(yī)種通過結合凹凸部分(fēn)連接兩個部件的巧妙方法，這種結構可以承受較大(dà)的載荷，且可以組合成多種形式。鑒于此，天津大(dà)學張平副教授（通訊作者）通過對中(zhōng)國傳統榫卯工(gōng)藝的深入研究，利用廢棄紙(zhǐ)張和聚丙烯（PP）材料，構建了一(yī)種新型的榫卯結構摩擦納米發電(diàn)機（MT-TENG），這種新結構可以實現高度的堅固性和空間分(fēn)割。研究表明，在相同空間條件下(xià)，MT-TENG的短路電(diàn)流（Isc）輸出比栅格結構摩擦納米發電(diàn)機（G-TENG）高1.7倍。同時本文也對運動幅度和頻(pín)率對其能量收集的影響因素進行了研究。此外(wài)，MT-TENG裝置可以采集人體(tǐ)運動的機械能，檢測人體(tǐ)手腳的運動狀态，尺寸爲3cm×3cm的MT-TENG産生(shēng)的功率可以驅動53個LEDs。本文提供了一(yī)種創新的榫卯結構，可以有效地提高TENG的輸出性能，在可穿戴電(diàn)子設備等領域顯示出巨大(dà)的潛力。相關研究成果以“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”爲題發表在Nano Energy上。論文第一(yī)作者爲博士生(shēng)張洪浩。
圖一(yī)、新型榫卯結構摩擦納米發電(diàn)機（MT-TENG）的制備流程
（a）MT-TENG的制造和裝配工(gōng)藝；
圖二、MT-TENG的結構和摩擦電(diàn)極形貌
（b，c）導電(diàn)銅帶表面和截面的SEM圖像；
圖三、MT-TENG的工(gōng)作機理與仿真
（b）使用COMSOL對MT-TENG的電(diàn)極電(diàn)位分(fēn)布進行了數值計算。
圖四、MT-TENG與G-TENG的對比
（a，b）在相同條件下(xià)，測量了G-TENG和MT-TENG的開(kāi)路電(diàn)壓、短路電(diàn)流；（c）輸出電(diàn)壓與電(diàn)流與MT-TENG負載電(diàn)阻的關系；（d）輸出功率密度與MT-TENG負載電(diàn)阻的關系；（e，f）50MΩ MT-TENG的輸出電(diàn)壓和電(diàn)流。
圖五、MT-TENG在不同位移振幅和頻(pín)率下(xià)的輸出性能
（a，b）MT-TENG的開(kāi)路電(diàn)壓和短路電(diàn)流随位移幅值的變化而變化;（c，d）MT-TENG的開(kāi)路電(diàn)壓和短路電(diàn)流随頻(pín)率的變化而變化;（e）通過5000個連續工(gōng)作周期，研究了MT-TENG的穩定性；
圖六、MT-TENG在手部運動傳感中(zhōng)的應用
（d）相對應的三種觸摸狀态的電(diàn)壓信号。
圖七、MT-TENG在人體(tǐ)運動傳感中(zhōng)的應用
（d）三種運動狀态對應的輸出電(diàn)壓信号。
圖八、MT-TENG在能源供應中(zhōng)的應用
（b）手指按壓時，53個綠色LEDs由MT-TENG供電(diàn)；綜上所述，受中(zhōng)國傳統榫卯結構的啓發，作者研制了一(yī)種新型的榫卯結構摩擦納米發電(diàn)機（MT-TENG）。與傳統的G-TENG相比，MT-TENG具有更高的硬度。此外(wài)，在有限的體(tǐ)積内提高了空間利用率，顯示出優越的能量收集性能。 在相同條件下(xià)，電(diàn)流輸出增強1.7倍。同時，使用廢棄的紙(zhǐ)張和PP材料作爲支撐材料，體(tǐ)現了環保和輕量化的理念。此外(wài)，作者還研究了單個MT-TENG的輸出性能，重點研究了運動幅度和頻(pín)率對其能量收集性能的影響，而且MT-TENG還可用于收集人體(tǐ)運動産生(shēng)的機械能。具體(tǐ)來講，設計出了一(yī)種基于MT-TENG的設備，可以監測人體(tǐ)手腳的運動狀态。最後，由此設計MT-TENG産生(shēng)的電(diàn)點亮了53個LEDs。這種環保、重量輕、堅固、便攜的電(diàn)子設備可以實現可持續的自驅動電(diàn)源，從而在可穿戴電(diàn)子設備等領域具有良好的潛力。文獻鏈接：“A High-output Performance Mortise and Tenon Structure Triboelectric Nanogenerator for Human Motion Sensing”(Nano Energy，2021，10.1016/j.nanoen.2021.105933)
文章轉載自微信公衆号：材料人
