2024.07.08. 华东师范大学研究团队在《Nano Energy》（IF=16.8）上发表综述型文章 “Recent Advances in TENGs Collecting Acoustic Energy: From Low-frequency Sound to Ultrasound”，TENGs 收集声能的最新进展：从低频到超声波。
声学 TENGs 被分类并分为 TAT 和 TUT
概述了声学 TENGs 的机理及其结构和材料
全面总结了 TAT 和 TUT 的最新发展
讨论了未来声学 TENGs 研究的挑战和前景
近年来，人们越来越关注优化声能的收集和利用，以扩大其在医疗、柔性声传感和人工智能等领域的应用。摩擦纳米发电机（TENG）由 Wang 及其同事于 2012 年首次提出，并且摩擦起电效应的机制已得到进一步研究。TENGs 能够有效地从环境中收集低频、无序、低熵和广泛分布的能量。TENGs 被用作自驱动声传感器，将声信号实时转换为电信号，由于其微型结构和不需要外部电源，在助听器和人工耳蜗植入方面取得了巨大进展。此外，超声驱动的 TENGs 已广泛应用于生物治疗、定位、和其他领域。在生物治疗中，超声波可以穿透身体组织来驱动体内 TENGs，因此 TENGs 常被用作植入式医疗器械，以实现体外内伤治疗和抗菌感染。在定位方面，TENGs 逐渐放弃了用于水下精确超声源定位的大体积腔体结构。声学 TENGs 的发展概述如图1。
图1. 声学 TENGs 的发展历程
本综述的目的是对 TENGs 在声学领域的进展进行总结和分类，包括摩擦电声换能器(triboelectric acoustic transducers, TATs)和摩擦电超声换能器(triboelectric ultrasonic transducers, TUTs)。
介绍声学 TENGs 的工作原理，如声学 TENGs 主要工作模式、谐振频率、亥姆霍兹薄膜振动方程等。介绍了传统和新颖的结构设计和相关材料。此外，还展示了 TATs 和 TUTs 的各种功能应用，例如人工耳蜗植入、定位和生物治疗。最后，讨论了 TATs 和 TUTs 目前面临的挑战和机遇，并展望了 TENGs 在声学领域的发展前景（图2）。
图2. TAT和TUT应用：听力辅助设备、声音定位、生物治疗、无线充电、无线通信和超声定位
接触分离式 TENG 工作原理
图3. TENG 工作原理示意图
结构和材料
根据其结构和材料，设计用于收集声能的 TENGs 可以大致分为三种类型：薄膜型、水凝胶型和球型。
2019 年，Zhao 等人设计了双管亥姆霍兹谐振器 TENG（图4 b)。这种新型谐振器与传统的 TENG 薄膜振动结构相结合，用于更有效地收集声能。双管谐振器 TENG 在声衰减和电功率输出方面都明显优于带有单管亥姆霍兹谐振器 TENG。其最大输出电压比传统谐振器提高了83%。
TATs 应用
图6. 助听器
TUTs 应用
TUTs 是利用 TENGs 将超声波能量转化为电能的转换设备。超声作为一种非侵入性的外部能量来源，为 TENGs 提供稳定、充足的机械能。当超声波作用于 TENG 结构时，产生的物理位移通过接触带电和静电感应转换为电信号。超声波驱动的TENGs 以其独特的能量转换效率和灵活的选材方式，在生物治疗、无线通信/充电、超声定位等领域展现出巨大的潜力。
图10. 展望、挑战和未来研究前景
声学机理的进一步研究：声学 TENGs 在低频声音中效果更好，并在某些频率下提供最大功率。我们需要更多地了解薄膜厚度、模量、结构、边界条件和其他因素如何影响这些频率，以制造出更好的 TENGs
封装：植入式助听器和无线充电器会遇到组织兼容性问题，强调稳定性的重要性。摩擦电材料虽然很有前途，但在流体中会出现性能下降。一种很有前途的方法包括整合生物相容性材料，如甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、具有抗菌活性的壳聚糖和聚乳酸以进行有效封装。
稳定性：有效的封装、灵活性和环境适应性对于 TATs/TUTs 的稳定性至关重要。对于伤口治疗，必须考虑紧密贴合和湿度敏感性。此外，电路管理策略，包括电源、温度控制、噪声抑制，对于声学 TENGs 的稳定性至关重要。
小型化：TATs 和 TUTs 的小型化对于植入物、可穿戴设备和系统集成至关重要。选择合适的材料和结构，以及将 TENGs 与 MEMS 集成，确保在小型化过程中保持输出效率。
材料优化：TENGs 输出性能与摩擦电材料的表面电荷密度密切相关。因此，许多工作致力于提高摩擦电材料的表面电荷密度。除了优化表面电荷密度外，还应考虑TENGs 的工作环境进行适当的优化。
降低成本：TENGs 在材料的多功能性、简单性和成本效益方面表现出色。然而，声学 TENGs 需要在模拟环境中进行进一步测试，并利用 3D/4D 打印进行系统集成和降低成本，以提高环境适应性和可扩展性。
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