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中科院纳米能源所王中林院士课题组和普渡大学范凤茹博士合作:一种具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦纳米发电机
2019-11-27  来源:欢乐时时彩

  随着物联网、大数据技术的快速发展和普及,其应用将遍及日常生活的各个角落,如办公和家庭自动化、医疗保健、安全保障、环境监测以及信息通信等。体育领域同样也受到了这一技术进步的影响,进入到数字化竞赛时代。大数据服务,包括比赛成绩、运动员训练表现、健康生理指标等数据的采集和分析,可以有效地帮助运动员进行科学训练从而提高竞技水平,正在成为竞技体育不可或缺的有效手段。实时数据的采集依赖于广泛分布的传感器,而传统的供能器件面临着寿命短、维护成本高、环境污染等问题,发展出一种可持续、免维护的传感技术具有重要的意义。 

  王中林院士于2012年提出的以麦克斯韦位移电流第二分量为理论根基的摩擦纳米发电机(TENG)为解决这个问题提供了新的思路。TENG能有效地将环境机械能和人体运动转化为电能,具有结构简单、成本低廉、环境友好等特点,在微纳能源、蓝色能源以及主动式传感等领域有着广泛的应用前景。通过集成能量存储器件,基于TENG的自充电能量系统可以为电子器件提供持续的电能供给。另外,TENG还可以直接将机械刺激转化为电信号,用作自驱动传感器。 

  目前,用于制备TENG的材料大多是不可降解的有机聚合物,如用于自驱动传感器在环境中广发分布,可能会引起环境污染等问题。天然木材是地球上最丰富的自然资源之一,作为一种可再生、可持续、可降解的材料,已经被广泛用于建筑、能量存储、水净化和柔性电子等领域。然而,天然木材的机械性能和摩擦发电性能通常不能很好地满足TENG的性能要求。因此,开发一种有效的处理方法来调节天然木材的性能,并用于制备高性能的TENG,对于发展可持续和环境友好的自驱动系统具有重要的意义。 

  近期,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组联合普渡大学的范凤茹博士,报道了一种具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦纳米发电机(W-TENG)。经过简单有效的木材处理方法,木材的摩擦发电性能和机械性能(包括强度、柔韧性、耐磨性和可加工性能等)都大幅提高。用改性木材制备得到的W-TENG,其输出性能也提升了~70%。同时,这种W-TENG还拥有质量轻(0.19 g)、结构薄(0.15 mm)、价格低等优点。基于上述优良的性能,这种W-TENG还被用作自驱动传感器构建具有多种传感功能的智能乒乓球台,利用乒乓球撞击球台产生的机械能设计了一种自驱动落点分布统计系统和插边球判定系统。该自驱动系统可同时实现乒乓球的速度传感、路径追踪和落点分布统计,记录的完整数据可用于大数据分析,给运动员的训练提供有效的评估和指导;而且还能准确的判定两种不同的擦边球,可以辅助裁判员在比赛中做出准确的判罚。这项研究拓展了自驱动系统在智能体育设备和体育大数据分析中的应用,开辟了木基电子器件与自驱动系统相结合的创新研究方向。该研究可以延伸到多种体育运动,例如跳远,篮球,羽毛球,网球,排球等多项体育运动的智能分析。 

图1 柔性W-TENG的制备流程和智能乒乓球台的示意图

图2 天然木材在处理前后的变化

图3 W-TENG的工作原理和输出性能

图4 W-TENG用于自驱动落点分布统计系统

图5 W-TENG用于自驱动擦边球判定系统

  该成果以“Flexible and durable wood based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing in athletic big data analytics”为题,发表在近期的《自然-通讯》上(Nature Communications)。该文章的第一作者为骆健俊博士王子铭博士生许亮副研究员,普渡大学范凤茹博士和北京纳米能源与系统研究所王中林院士为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划等项目资助。 

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13166-6

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