“超级慢动作”如何点亮未来？—— 新型发电机从“龟速”按压中捕获澎湃电力

中国科学院力学研究所创新设计弧形结构发电机，将微慢机械能转化为高效电能，为自供电物联网打开新大门。

导读

在万物互联的智能时代，如何为海量分布式传感器和微电子设备持续供电是一大挑战。环境中无处不在的微弱、低频机械能，如轻柔的触摸、缓慢的形变，是理想的能量来源，但传统技术对其捕获效率极低。近日，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队在《先进能源材料》上发表成果，提出一种弧形结构摩擦纳米发电机（A-TENG）的全新设计。该研究直指传统摩擦纳米发电机在“超低速”激励下输出性能急剧衰减的核心瓶颈。团队创新性地通过设计一种预弯的弧形弹性结构，使其能将外部缓慢的按压动作储存为弹性势能，并在触发后瞬间释放，转化为内部发电单元的高速运动，从而将发电效率提升数个量级。实验表明，在超低速激励下，其电流密度提升超过 2000 倍。基于此高性能，团队成功演示了无需外部电源、仅依靠按压节奏即可实现身份识别的自供电传感应用，识别准确率达 95.42%。这项研究为高效收集环境中“细水长流”式的微弱能量提供了原理性突破，有望推动自供电传感与物联网技术的长足发展。

Part 1

引言：当“摩擦生电”

遇上速度瓶颈

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种将环境机械能转化为电能的新兴技术，其基本原理依赖于接触起电与静电感应效应。当两种不同材料的薄膜发生接触分离或相对滑动时，界面会产生电荷转移，进而在外电路形成可观测的电流。这一技术因其在低频下的高转换效率、材料选择广泛及结构设计灵活等优点，在微纳能源、自驱动传感和蓝色能源等领域展现出巨大潜力。

然而，一个根本性的物理限制束缚了其应用边界：其电输出性能强烈依赖于摩擦层之间的相对运动速度。在理想状态下，更高的相对速度意味着更快的电荷分离与输运速率，从而产生更大的电流。然而，现实环境中存在大量“超低速”的机械动作——例如手指的极轻触摸、缓慢的按压或生物体的细微运动。面对这些激励，传统 TENG 内部摩擦层相对运动速度极慢，导致电荷生成与转移效率低下，输出电流微弱到难以驱动任何实际电子器件。如何让TENG 在“龟速”激励下仍能高效工作，成为制约其迈向大规模实际应用，特别是在低功耗物联网传感节点领域的关键科学难题。

Part 2

技术揭秘：弧形结构，

一个精巧的“机械能放大器”

为解决上述瓶颈，中国科学院力学研究所团队并未拘泥于材料改性，而是独辟蹊径地从结构力学设计中找到了钥匙。他们提出的核心解决方案是弧形结构摩擦纳米发电机。其技术突破并非发明了新的摩擦材料，而是设计了一个精巧的“机械能放大器”——弧形弹性梁。

该设计的核心机制在于“弹性储能 - 快速释放”。具体而言，研究人员将发电单元（一对摩擦材料）集成在一个被预压的弧形弹性梁上。在初始状态下，这个弧形梁处于受压的弯曲状态，像一张被拉弯的弓，内部储存了弹性势能。当外界施加一个超低速、小行程的垂直按压时，这个缓慢的按压动作并非直接驱动发电，而是作为一种“触发信号”，解除了对弧形梁的机械约束。

约束一旦解除，弧形梁内储存的弹性势能便会在瞬间转化为动能，驱动梁体发生快速回弹和高速振动。关键在于，集成在梁体上的发电单元，会随之发生高速的相对运动。这意味着，外界的“超低速输入”被弧形结构巧妙地转换成了发电单元之间的“高速相对运动”。

这个过程可以借助一个符合物理原理的类比来理解：如同缓慢压下捕鼠夹的触发机关（低速输入），一旦超过临界点，夹臂在内部弹簧驱动下迅猛闭合（高速输出）。A-TENG 正是利用了类似的力学不稳定性原理，将低品质、难以利用的超低速机械能，先储存后释放，转换成了高品质、适合 TENG 工作的高速机械能。

根据研究论文中的数据，这一设计带来了性能的飞跃。在 0.1 mm·s-1 激励速度下，A-TENG 产生的峰值电流密度，比在相同激励条件下、不具备此储能释放机制的结构高出超过 3 个数量级，即 2000 倍以上。这直接验证了“通过结构设计放大输入激励”这一策略的有效性，从根本上突破了传统 TENG 在超低速下的性能限制。

Part 3

产业关联：

迈向“永久续航”的智能感知

基于 A-TENG 在超低速下稳定、强劲的电输出特性，研究团队在其论文中演示了一项极具前景的应用方向：自供电身份识别系统。这为物联网终端设备的“无源化”或“自供能”提供了新的技术路径。

1. 自供电身份识别原理：每个人的行为具有独特性，包括按压按钮的节奏、时长和间隔。研究团队将 A-TENG作为传感与供能一体化单元，与摩斯电码式的输入逻辑相结合。用户通过在 A-TENG 设备上以特定节奏（代表个人密码）进行按压，无论按压速度快慢，设备都能凭借其优异的低速响应特性，生成稳定、独特的电信号脉冲序列。

2. 性能与潜力：该脉冲序列携带了使用者的“按压时序特征”这一生物行为特征。通过机器学习算法对特征进行识别，系统即可在不依赖任何外部电池的情况下，完成身份认证。实验显示，在 6 人以内的识别测试中，平均准确率高达 95.42%。这充分证明了 A-TENG 作为“自感知、自供能”一体化终端的可行性。

3. 应用展望：这项工作清晰地指出了 A-TENG 的产业化潜力主要集中在低功耗物联网传感节点与智能人机交互领域。例如，在智能门锁、个性化电子设备、可穿戴健康监测设备以及分布广泛的无线环境传感器网络中，A-TENG 有望从使用者无意识的微小动作（如开关门、触摸、行走振动）中持续收集能量，并同时生成控制或传感信号。这为实现“部署即用、免维护”的万亿级物联网感知节点提供了可能的技术支撑，有望显著降低物联网的维护成本和环境负担。

Part 4

总结与展望

中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队提出的弧形结构摩擦纳米发电机，是一项从能量捕获原理层面上的重要创新。它通过仿生或工程力学中常见的弹性储能思想，巧妙地解决了 TENG 领域内长期存在的超低速激励性能衰减难题，实现了电流输出能力的量级提升。

这项研究的价值，不仅在于展示了一个高性能的器件原型，更在于它为整个能量收集领域提供了一种通过“机械结构创新”来赋能“能量转换材料”的新范式。它将人们的注意力从单纯追求材料的摩擦电性能，部分引导至如何通过智能结构设计来优化和匹配环境机械能的特性上。

展望未来，这种弧形结构设计理念有望与柔性电子、微机电系统（MEMS）工艺进一步融合，开发出更轻薄、可集成、环境适应能力更强的微型能量采集器。能够从人类活动及环境背景的微弱扰动中高效“汲取”能量的技术，将成为构建真正自主化、智能化、可持续的下一代信息物理系统的关键一环。

科研团队信息

本项研究的论文第一作者为中国科学院力学研究所研究生谢飞宇，力学所已毕业学生李爽博士、北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员和力学所苏业旺研究员为共同通讯作者。研究获得了国家自然科学基金等项目的资助。该研究是力学学科与能源、信息前沿交叉的典型成果，其从基本原理出发解决技术瓶颈的思路，体现了怀柔科学城等国家级科研平台聚焦重大原始创新、支撑未来技术发展的战略定位。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 张耀

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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