顆粒在線訊：背景介紹

交通環(huán)境監(jiān)測作為智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分，主要用于感知車速、載重、車型和車輛計數(shù)等交通數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在通信領(lǐng)域的發(fā)展為交通環(huán)境監(jiān)測提供了新的機會，具有輕量化、移動式、環(huán)境友好等優(yōu)勢的無線傳感器能夠為交通環(huán)境監(jiān)測提供實時、可靠的海量數(shù)據(jù)。但任何分布式的無線傳感器都面臨著能源供應的問題，智能交通環(huán)境信息監(jiān)測對可持續(xù)自供能傳感技術(shù)提出了迫切的要求。在眾多的自供能傳感技術(shù)中，摩擦電納米發(fā)電機（TENG）具有能量密度高、成本低、適應性強等優(yōu)點，可視為一種自驅(qū)動傳感器（無需外部電源），精確感知速度、壓力、濕度等信息。因此，基于摩擦納米發(fā)電效應的自驅(qū)動傳感技術(shù)有望在交通環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。但是，常規(guī)的基于摩擦納米發(fā)電效應的自驅(qū)動傳感往往需要材料的表面化處理，工藝復雜且成本高昂，而折紙堆疊的摩擦納米發(fā)電機，將單一摩擦對放大為多層摩擦對，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低以及電學轉(zhuǎn)換效率高的特點。因此，本研究中首次提出了一種新型的Waterbomb 折紙啟發(fā)的摩擦納米發(fā)電機（WO-TENG），在電子器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電學信號分析的基礎(chǔ)上，進一步集成到智能路面結(jié)構(gòu)中， 證明其在智能交通環(huán)境監(jiān)測中的可行性 。

研究方法

受Waterbomb折紙啟發(fā)的摩擦電納米發(fā)電機 (WO-TENG) 采用數(shù)值仿真、發(fā)電規(guī)律分析、室內(nèi)加載研究、真車試驗驗證的方式，實現(xiàn)了WO-TENG向智能路面的集成。與目前傳統(tǒng)的折紙結(jié)構(gòu)的TENG相比，在具有多摩擦層保持協(xié)同性的條件下，其電學輸出性能可提高67%以上。另外，全封裝的WO-TENG能夠解耦車速和荷載對感知精度的影響，其感知準確率達到98%以上。

圖 1 Waterbomb折紙啟發(fā)式摩擦學納米發(fā)電機助力智能交通環(huán)境監(jiān)測示意圖. (a) Waterbomb 折痕圖案；（b） 帶有銅箔和聚四氟乙烯薄膜的二維平面示意圖；（c） 安裝導線的3D 摩擦納米發(fā)電機；（d）展開后的立體TENG及其照片；（e）按壓后的平面TENG及其照片；（f）WO-TENG向智能交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集成

成果簡介

同濟大學朱興一教授課題組提出了一種新型的Waterbomb折紙啟發(fā)式的摩擦電納米發(fā)電機（WO-TENG），作為一種自供電的交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集成到智能路面中。具有以下優(yōu)點：

（1）基于 Waterbomb折痕圖案的多層周期性結(jié)構(gòu)巧妙的增加了摩擦層面積，顯著放大了接觸起電和靜電感應現(xiàn)象；

（2）Waterbomb三維折紙結(jié)構(gòu)基于谷線和脊線構(gòu)成的折痕圖案獲得，所制造的Waterbomb折紙啟發(fā)式摩擦電納米發(fā)電機（WO-TENG）的褶皺結(jié)構(gòu)有利于儲存更多的機械能，有助于TENG在沒有其他輔助支撐結(jié)構(gòu)的情況下自由恢復到原始狀態(tài)。

（3）WO-TENG作為一種自供電的交通環(huán)境感知元件，集成于智能道路系統(tǒng)，可成功解耦車速和重量對感知精度帶來的不利影響。證明了WO-TENG用于交通環(huán)境監(jiān)測的可行性和穩(wěn)定性。這項工作不僅可以解決傳統(tǒng)交通環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，還能夠推動基于TENG的自驅(qū)動傳感器在ITS領(lǐng)域的發(fā)展。

圖文導讀

圖 2 基于COMSOL的不同摩擦層單元夾角（θ）與兩電極電勢差關(guān)系的數(shù)值分析

圖2展示了單個發(fā)電機單元的工作機制。在該模型中，構(gòu)建了與實際器件模型相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，并為兩個摩擦電表面層賦予了70μC/m2的電荷密度，以保持電荷守恒。兩個電極之間沒有電子轉(zhuǎn)移，設備處于開路狀態(tài)。

圖 3 WO-TENG 的室內(nèi)加載測試。（a）基于WO-TENG的智能路面結(jié)構(gòu)示意圖；（b）TENG在不同頻率、負載影響下的電信號峰值（電壓）；（c） 10Hz時峰值電壓演變；（d） 15Hz時峰值電壓演變；（e） 25Hz時峰值電壓演變

圖 4 不同載重決定的 WO-TENG d電學信號波形. (a) 1290 kg; (b) 1380 kg; (c) 1455 kg; (d) 1535 kg; (e) 1620 kg; (f) 1690 kg

文章信息

Yafeng Pang, Xingyi Zhu*, Ying Yu, Shuainian Liu, Yu Chen & Yi Feng. Waterbomb-origami inspired triboelectric nanogenerator for smart pavement-integrated traffic monitoring. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4152-6.