中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林

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利用摩擦纳米发电机（TENG）技术，中科院北京纳米所的王中林院士团队通过在基底上引入两组同轴排列但存在一定角度差的TENG制备了一款高性能的自驱动角度传感器（SPAS）。SPAS可将旋转运动直接转换为一组具有相位差的电压信号输出，且在经过系统的结构优化后，传感信号的峰峰值可达~120V，同时信噪比高达98.69 dB。因此不仅SPAS信号的产生不需要额外的电能供应，而且产生的信号不需要集成电路模组进行放大处理，这使得器件的整体结构得到进一步简化。对SPAS的传感信号进行分析处理后，可实现1°的角度分辨率，同时在其线性敏感区内可实现高达2.03 纳弧的极限角度分辨率，通过微纳加工工艺制备更为精细的电极结构或研制更为高效的起电材料还可将SPAS的角度分辨率进一步提高。

此外SPAS质轻 (11.1 g)与超薄 (1.87 mm)的优点，使得SPAS可以轻松地嵌入多种器件同时不影响它们的正常运动，极大地拓宽了应用的范畴。在机器人领域，作者展示将SPAS与机械臂结合后，能够利用SPAS将机械臂书写“Nano”这一单词时的实时角度数据记录下来，随后将这些角度数据反馈给机械臂执行即可将前述书法过程精准地复现。同时作者还展示了SPAS在个人康复领域的应用：将SPAS与常见的医疗支具结合后可对佩戴者的膝盖屈曲角度进行实时主动监测，监测结果可通过微处理器以蓝牙的方式传输至移动端APP上进行实时数据记录与动画展示。相关数据有利于医生准确掌握患者当前的康复情况，并为后续康复计划的个性化制定提供可靠依据。该项研究为智能机器人的传感与控制，智慧医疗/主动健康领域等带来了新原理和新思路，具有广阔应用前景。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001466)上。

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随着物联网的发展，对于无线通信节点的需求量急剧增加，而这些节点的通讯都需要供电来满足大数据的传输。在交通领域，基于物联网的智能交通系统包括无线传感器、通讯网络、道路安全行车预警等。然而，在辽阔的海域，交通预警系统的供电却受到很大的限制。虽然已经开发出一些无线警报装置，如无线电浮标导航设备，但它们通常由传统电池供电，其有限的使用寿命和环境污染问题限制了其使用。由于海洋占地球表面面积的70%，而且波浪能在这些水体中分布很广，利用水波能作为可持续能源是一种很有前景的技术。与其他清洁能源相比，水波受昼夜交替和天气的影响也较小。然而，由于目前的技术限制，基于水波能收集的自驱动航线预警交通系统的开发仍然很困难。

        摩擦纳米发电机（TENG）的发明为收集环境能量提供了前所未有的有效途径。基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，TENG器件在低频能量收集上具有不可替代的优势。采用TENG器件收集海洋波浪能量，已被视为TENG的主要应用领域之一。针对波浪能收集，一系列TENG器件已被开发出来，小型电子设备如LCD显示屏、测温计、水质计等已被充分证明可轻松利用所收集到的海洋能驱动。同时，尽管一些无线发射模块也已被TENG器件所收集的波浪能成功驱动，然而其传输距离只能达到几米远。此外，这些无线传输的电源电路控制都是手动而非自动的，使这些已报道出的器件和无线系统很难推广到真正的应用阶段。
       中国科学院北京纳米能源与系统研究所任泽伟博士和梁茜博士等，在王中林院士的指导下提出基于一种复合式波浪能收集发电机（HW-NG）为供电基础，开发出面向实用化概念的海上行船避让岛礁航线安全预警系统。HW-NG器件是在摩擦纳米发电机（TENG）和电磁发电机（EMG）的基础上采用单摆结构复合发展而成。利用433 MHz超高频（Sub-1G）无线传输技术，仅依靠大型HW-NG器件网络从水波中提取的能量，就可在海上建立一个超远程（目前初步设计为1.5km）的无线通信节点。基于更大规模的海上HW-NG器件阵列网络，预警信号的发射可达到远低于每秒一次的实时频率。进一步地，通过基于电源管理所开发的自控开关模块，实现了预警信号的自动管理、发射。实际应用中，在行船目视盲区的暗礁或者岛礁附近海域，通过所构筑的预警系统，可实现对行船航行交通风险的全天候实时预警，保证船舶在各种天气条件下的航行安全。这项工作将物联网的概念以实际技术的形式实现到蓝色能源的研究中，给出了在不依赖于任何外部电源的情况下，海上超远程点对点自主通信建立的初步实现方案。这一技术手段与应用概念的提出，为物联网大时代信息背景下蓝色能源的研究走向应用提供了独特思路。


       论文信息：
       Water-wave driven route avoidance warning system for wireless ocean navigation
       Zewei Ren, Xi Liang, Di Liu, Xunjia Li, Jianfeng Ping, Ziming Wang, Zhong Lin Wang*
       Advanced Energy Materials
       DOI :10.1002/aenm.202101116
       原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202101116