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作 者
吴鹏凡、赵晨曦、崔恩典、徐世伟、刘涛、王发扬、Chengkuo Lee、牟笑静
机 构
重庆大学，新加坡国立大学
Citation
Wu P F, Zhao C X, Cui E D, Xu S W, Liu T, Wang F Y, Lee C K and Mu X J. 2024. Advances in magnetic-assisted triboelectric nanogenerators: structures, materials and self-sensing systems. Int. J. Extrem. Manuf. 6 052007.
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad5bc6
撰稿 | 文章作者
1. 文章导读
摩擦电纳米发电机(TENG)以其利用环境中的弱机械能的卓越能力而闻名，由于其成本效益，高输出和适应性而获得了相当大的关注。
近期，重庆大学光电工程学院、新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室的牟笑静教授、吴鹏凡博士生、赵晨曦硕士生、崔恩典博士生、徐世伟博士生、刘涛博士生、王发扬博士生，和新加坡国立大学Chengkuo Lee教授在SCI期刊《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《磁辅助摩擦电纳米发电机的研究进展:结构、材料和自传感系统》的综述，从一个独特的角度对磁辅助TENGs进行了全面深入的分析，包括结构、材料和自供电传感系统，如图1所示。系统地总结了磁辅助的各种功能，包括系统刚度、混合电磁摩擦发电机(HETG)的组成、传输和相互作用力。在材料领域，回顾了磁性纳米复合材料的引入，以及基于铁磁流体的TENG和微观结构验证，并在现有研究的基础上进行了总结。此外，还深入探讨了磁辅助传感器在物理量传感和人机界面方面的研究进展。
关键词
摩擦纳米发电机；磁辅助；结构；材料；自供电系统
亮点
介绍了磁辅助作为提高摩擦纳米发电机动态响应范围和摩擦材料有序控制性能的手段。
磁辅助最重要的功能在于摩擦纳米发电机的环境适应性和潜在应用。
系统综述了磁辅助摩擦电纳米发电机的材料、结构和自传感系统的最新进展。
讨论了磁辅助摩擦电纳米发电机技术的优势、挑战和未来展望。
图1 磁辅助TENG在结构、材料和自供电传感系统中的应用综述。版权所有（2020，2021，2022，2023）WILEY；（2015, 2019, 2021, 2022, 2023）Elsevier；（2024）The Royal Society of Chemistry。
2. 研究背景
随着物联网(IoT)在各个领域的发展，确保其终端和监控系统有可靠的能源供应是一个相当大的挑战。传统的供电方法不足以满足广泛的传感器网络的需求，因此强调需要便携式、可持续的、分散的无碳绿色能源解决方案来为这些设备供电。2006年，王中林院士等人创造了“微纳能源装置”一词，并推出了纳米发电机，一种能够通过位移电流将机械能高效转化为电能的装置。纳米发电机以其紧凑的尺寸和灵活的设计而闻名，有多种应用，可以有效地捕获少量的环境能量。在纳米发电机中，摩擦纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机(PENG)因其从环境中获取最小机械能的能力而脱颖而出。TENG特别擅长从风、声音、小振动、温度变化和人体运动等来源收集弱机械能，其驱动力是追求提高捕获和转换效率。这种追求的核心是优化TENGs从不同环境来源(如风、波浪和其他动力形式)获取最大机械能输入的能力。在这方面，研究人员已经投入了大量的精力来扩大TENG的动态响应范围，这是一项充满能量捕获结构设计挑战的任务。在采用的策略中，机械调谐，流固耦合和磁辅助已成为有前途的途径。利用磁体之间的力及其与铁磁性物体的相互作用，磁辅助TENGs为增强系统性能提供了一种特别有趣的方法。在本文中，牟笑静教授等人广泛地分析了磁辅助TENGs，并从一个独特的角度研究了它们的结构、材料和自供电传感系统。
3.最新进展
最新进展主要分为三个部分：磁辅助TENGs的结构、材料和自供电传感系统。研究人员利用磁辅助来增强系统刚度、HETG组件、传输和相互作用力，从而产生具有特殊环境适应性的结构。而磁性纳米复合材料的制备、基于铁磁流体的TENG的实现以及微观结构验证则是提高TENG输出性能和环境适应性的策略。同时，磁辅助自供电传感器在物理量传感和人机界面(HMI)方面也有较大突破。
磁辅助结构设计 磁辅助结构可以提高TENGs的环境恢复能力，实现非接触式力传递，促进复杂的机械动作，同时保持与HETG所需磁场的兼容。在磁辅助结构的几种类型中，磁悬浮结构是最典型的，如图2所示，TENG作为一种将机械能转化为电能的换能器，可以简化为刚度和质量的机械动力系统。不同磁体之间的电阻，由于它们的非接触性、非线性特点，使得磁体在TENGs中充当系统刚度，增强系统性能。
图2 磁体在TENGs中充当系统刚度。(a)准零刚度结构。(b)磁力作为非线性引起系统振荡。(c)垂直方向上的非接触系统刚度减小摩擦阻力。(d)斜面上的系统刚度，以获得双轴灵敏度和较好的响应。(e)电池状SUM中的悬浮磁铁。(f)磁力是系统刚度的来源。经许可转载。(g)磁悬浮双螺旋TENG。经许可转载。(h)磁悬浮结构。(i)基于TENG的实时监控车辆运行和碰撞的MASA传感器。(j)磁双稳宽带振动冲击TENG。(k)植入式磁性TENG体内肿瘤治疗。(a) 经许可转载。版权所有（2023）WILEY。(b)(e)(k)经许可转载。版权所有（2019）WILEY。(c)经许可转载。版权所有Springer。(d)经许可转载。版权所有WILEY。(f)经许可转载。版权所有（2014）American Chemical Society。(g)经许可转载。版权所有（2022）WILEY。(h)经许可转载。版权所有（2018）Elsevier。(i)经许可转载。版权所有（2022）Elsevier (j)经许可转载。版权所有（2023）MDPI。
磁辅助材料 作为直接载体，摩擦材料是决定TENGs适用性的关键因素。磁辅助材料已成为增强TENGs性能和功能的有前途的途径。根据制备方法和磁辅助材料形态的不同，现有的研究可分为磁性纳米复合材料、铁磁流体和磁辅助微结构三大类，磁性聚合物复合材料由于受磁场控制的磁性颗粒的可变排列而表现出可调节的电容，如图3所示，因此从微观角度研究其作为TENG摩擦材料的潜力至关重要。然而，铁磁介质对TENG位移电流的影响研究却很少。
图3 磁性纳米复合材料的研究进展。(a)磁性聚合物复合材料TENG。(b)具有磁性纳米复合材料的柔性高灵敏度TENG。(c)利用P(VDF-HFP) /NiFe2O4纳米纤维复合材料的磁场辅助下的高性能TENGs。(d)使用打印机油墨作为纳米填料，提高基于聚偏氟乙烯纳米纤维的TENG的产量。(e)利用铁/聚合物复合材料，麦克斯韦位移电流通过铁磁特性增强了输出性能。(a)经许可转载。版权所有（2020）Elsevier。(b)(e)经许可转载。版权所有（2022）Elsevier。(c)(d)经许可转载。版权所有（2023）Elsevier。
磁辅助自供电传感 TENG作为机械换能器，利用摩擦电和静电感应效应之间的相互作用。在这种情况下，设备的电输出主要受各种外部机械刺激的影响，包括位移、速度、力、脉冲、频率和环境条件。这种对机械刺激的固有敏感性，以及其明确的参数特性，使TENG成为自供电机械传感器的理想选择。磁辅助TENG的独特结构有利于非接触或高灵敏度自供电传感系统的构建，尤其在人机交互中有着广泛的应用，如图4所示。
图4 磁辅助TENGs在人机界面中的应用。(a)磁相互作用辅助热重热法。(b) 3D轨迹传感柔性HETG。(c)采用液-固界面的摩擦电触觉传感器。(d)可磁调谐各向异性摩擦电气凝胶，用于可穿戴自供电触觉感知。(a)经许可转载。版权所有（2021）Elsevier。(b)经许可转载。版权所有（2020）Elsevier。(c)经许可转载。版权所有（2022）Springer。(d)经许可转载。版权所有（2023）WILEY。
4. 未来展望
磁辅助作为一种提高摩擦材料动态响应范围和有序控制摩擦材料性能的手段，增强了摩擦材料的环境适应性和输出性能，其潜在应用将扩展到智能采矿、智能海洋、环境安全、医疗健康、人机交互、国防军事、城市交通、智能家居等多个领域。然而，要实现大规模应用，相关研究仍需进一步推进。因此，在文章中对这三个研究方向的未来发展分别提出相应建议。
结构方面，(1)加强磁性器件的有效屏蔽和封装，以防止磁场对外部器件的干扰; (2)设计战略性阵列和联网器件，以改变能量体积，增强通用性; (3)通过3D打印技术等结合技术以及大规模生产来保证摩擦电器件的一致性和稳定性。
材料方面，(1)使用可编程磁操作制备复杂的摩擦材料结构；(2)开发高灵敏度，自供电传感，利用基于铁磁流体的TENGs的优越机械响应；(3)通过外部磁场控制磁性微结构，为微观驱动提供动力，如药物输送。
系统方面，(1)开发非接触式人机界面在危险场景中的应用；(2)通过深度学习算法或处理电路确保信号的可重复性和稳定性；(3)通过采集和中央微控制器(MCU)的集成实现整个自供电系统的完整性。
5. 作者简介
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关于期刊
International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。
期刊网址：
https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990
http://ijemnet.com/
期刊投稿：
https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep
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撰稿:作者 编辑：范珂艳 梁煜 审核：关利超
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