北京大学Nano Energy综述：基于摩擦纳米发电机的自驱动电子皮肤

利用现代先进电子器件模仿人类皮肤功能的电子皮肤，在人机接口、仿生假肢、智能机器人等领域都有着广泛的应用前景，受到科学家的广泛关注。当前，长期稳定的能源供给是束缚电子皮肤进一步发展的重要关键问题。摩擦纳米发电机是一种新型高效的能量采集器件，可以有效的将机械能转化为电能，同时提供了一种新型的自驱动传感机制，可以实现无需外部电源供给下的信号感知，对解决电子皮肤能源供给问题提供了无限的可能。

成果简介

近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授在国际纳米科学领域重要期刊Nano Energy上发表题为“Self-powered Electronic Skin based on the Triboelectric Generator”的综述文章，博士研究生陈号天为论文第一作者。文章以摩擦纳米发电机（TENG）为工作基础，着眼于新型仿生电子皮肤的功能，总结了近年来基于摩擦纳米发电机的多种电子皮肤的设计与应用进展。文章首先关注基于摩擦发电机的自驱动传感器的4种工作机制，并总结了当前基于摩擦纳米发电机的自驱动传感器的3种主要的探测方式（幅值、比例和频率）及4种信号类型（模拟式、数字式、独立阵列式和寻址阵列式）。在此基础上针对电极和电介质的设计和制备的要求和特点进行归纳，重点强调电极材料的可拉伸性和导电性，强调电介质材料对性能的增强及自驱动和生物降解等更丰富的特性。之后落实在电子皮肤传感器和电子皮肤系统的应用上，展现出基于摩擦纳米发电机的传感器广泛的应用前景。最后，文章分析并讨论了该领域未来的发展和面临的挑战。

图文导读

图1：基于摩擦纳米发电机的电子皮肤总览

图2：摩擦纳米发电机的（a）四种工作原理、（b）三种检测方法和（c）四种信号类型

图3：利用新材料设计可拉伸电极。

（a）CNT（b）graphene（c）基于Agflake 的复合导电材料（d）基于银纳米线的复合导电材料（e）基于碳黑的复合导电材料（f）基于CNT的导电复合材料（g）基于水凝胶的导电材料

图4：利用新结构设计可拉伸电极。

（a）褶皱结构（b）弯曲结构（c）折纸结构（d）剪纸结构（e）纤维结构（f）织物结构

图5：功能性电介质的设计。

（a）微结构提升输出（b）3D多孔结构提升输出（c）氟碳聚合物与微结构复合提升输出（d）导电填充物与多孔结构复合提升输出（e）基于蚕茧的可降解材料（f）抗湿度干扰的电介质材料（g）自修复材料

图6：基于摩擦纳米发电机的自驱动压力传感器（a）（b）及位置传感器（c）（d）（e）

图7：基于摩擦纳米发电机的自驱动应变传感器（a）（b）和滑动传感器（c）（d）

图8：基于摩擦纳米发电机的自驱动传感系统

图9：自驱动电子皮肤的展望