??微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）通常需要依賴外部電源驅(qū)動(dòng)，但隨著其功耗的不斷降低，開(kāi)發(fā)出直接由環(huán)境供能的微納機(jī)電系統(tǒng)成為了可能。靜電馬達(dá)作為微納機(jī)電系統(tǒng)中的典型執(zhí)行器，其利用靜電力和慣性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，其驅(qū)動(dòng)力矩小，啟動(dòng)困難，具體表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)所需的電壓較高，而且伴隨著高頻的電壓信號(hào)，往往需要復(fù)雜的電路設(shè)備提供，導(dǎo)致其維護(hù)成本較高且使用壽命有限。近年來(lái)，王中林院士團(tuán)隊(duì)以麥克斯韋位移電流第二分量為理論根基提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），能有效地將環(huán)境機(jī)械能和人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在微納能源、藍(lán)色能源以及主動(dòng)式傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員和王中林院士團(tuán)隊(duì)深入分析對(duì)比了TENG與傳統(tǒng)電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的工作原理、控制方程與輸出特性，闡明了其與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的對(duì)稱性和互補(bǔ)性（Adv. Mater. 2014, 26, 3580-3591），以及具有電容型阻抗和高電壓輸出的特點(diǎn)?；谄鋵?duì)電容型負(fù)載的電壓保持特性，成功實(shí)現(xiàn)了基于接觸起電調(diào)控半導(dǎo)體中載流子運(yùn)輸?shù)母鞣N摩擦電晶體管（Nano Today 2016, 11, 521-536），以及通過(guò)摩擦電高壓特性調(diào)控的MEMS微反射鏡（Adv. Mater. 2015, 27, 719-726）等，展示出TENG對(duì)MEMS執(zhí)行器的高壓驅(qū)動(dòng)能力。然而，TENG通常用于收集環(huán)境中存在的低頻機(jī)械能，產(chǎn)生的電輸出具有低頻特性，而MEMS執(zhí)行器通常在高頻下工作，需要高頻的電信號(hào)激勵(lì)，這種頻率響應(yīng)的不兼容使得TENG對(duì)其供電具有很大的局限性。如果能采用特殊的微機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決頻率的不匹配問(wèn)題，對(duì)于開(kāi)發(fā)直接由環(huán)境供能的自驅(qū)動(dòng)MEMS/NEMS器件將具有重要意義。 

針對(duì)上述難點(diǎn)，張弛研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)將TENG與靜電微馬達(dá)相結(jié)合，首次提出了一種超低頻機(jī)械摩擦激勵(lì)微馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)并制造了新型的摩擦電微馬達(dá)。該器件利用了TENG在低頻機(jī)械激勵(lì)下的高壓特性，通過(guò)摩擦電荷在微馬達(dá)上周期性的轉(zhuǎn)移與中和，可對(duì)微馬達(dá)產(chǎn)生連續(xù)的驅(qū)動(dòng)力，維持其持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而取代了傳統(tǒng)激勵(lì)方式中的高頻高壓源。通過(guò)不同結(jié)構(gòu)和激勵(lì)參數(shù)的研究表明，摩擦電微馬達(dá)能夠在低至0.1 Hz的外部機(jī)械激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，并在0.8Hz時(shí)達(dá)到1350轉(zhuǎn)/分，電能驅(qū)動(dòng)效率達(dá)到41%。該摩擦電微馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、成本低廉，既體現(xiàn)了TENG低頻高壓的特點(diǎn)，又具有靜電馬達(dá)高速、低功耗的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)其在便攜式掃碼儀與車載激光雷達(dá)系統(tǒng)中的功能演示，展示了可通過(guò)人手按壓實(shí)現(xiàn)掃碼信息識(shí)別，以及利用車載環(huán)境中摩擦耗散掉的能量實(shí)現(xiàn)移動(dòng)障礙物探測(cè)與定位，體現(xiàn)出該器件在微納機(jī)電系統(tǒng)、智能機(jī)器人和無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。該成果以“Triboelectric micromotors actuated by ultralow frequency mechanical stimuli”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊上（DOI: 10.1038/s41467-019-10298-7），張弛研究員和王中林院士為論文通訊作者，楊航碩士生和逄堯堃博士為共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。 

圖：a. 摩擦電微馬達(dá)工作原理圖 b. 微馬達(dá)轉(zhuǎn)速與輸入頻率關(guān)系 c. 基于摩擦電微馬達(dá)的便攜式掃碼儀 d. 基于摩擦電微馬達(dá)的車載激光雷達(dá)