联手王中林院士，中山大学最新AM：时空压缩摩擦电驱动激光与电磁波同步脉冲发射，构建自供电一体化信息感知系统

现代物联网的信息交互高度依赖激光与电磁波作为信息载体。激光和电磁波具有完全不同的产生机制和发射频谱，因而传播特性和应用方向差异显著：基于激光的信息系统具有超高功率密度和更大信息容量，且不受电磁干扰，适合在点对点条件下进行信号发送或传感；基于电磁波的信息系统则能够向多个地点广播信息或从多个地点感知信息，但由于能量扩散，其功率密度较低。将激光与电磁波融合到一体化系统中，有望大幅增强感知信息维度并提升物联网多模式通信容量。然而，为两种具有不同阻抗的辐射器提供足够能量仍是挑战，尤其对于由电池供电、广泛分布的物联网节点而言；同时，激光与电磁波的同步辐射还需要复杂电路进行信号产生与处理。因此，迄今仍少有融合激光与电磁波的物联网节点被开发出来。

中山大学王佳琪副教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作开发了一种摩擦电驱动的辐射器，可同时发射激光和电磁波。在环境运动诱导的摩擦电驱动下，通过定制的瞬时电荷转移通道，空间积累的电荷在超短时间内释放，实现击穿诱导放电，从而同时产生激光和电磁波发射。该系统至少可感知并无线传输5种环境因素，包括环境运动轮廓、污染物浓度、气体组分、液体类型以及金属存在。信息交互可在两种模式下运行：各向同性电磁波和准直激光。得益于时空压缩摩擦电机制，器件产生的11 A超高电流驱动同步激光与电磁波辐射，实现多维传感，并获得100的高竞争性品质因数。研究结果展示了由摩擦纳米发电机实现的全合一信息系统的概念验证，为基于摩擦纳米发电机的多环境因素传感开辟了新途径。相关论文以“Simultaneous Laser Light and Electromagnetic Wave Pulsed Emissions Triggered by Spatiotemporally-Compressed Triboelectricity”为题，发表在Advanced Materials上。

从系统架构看，所开发的自供电无线传感系统将环境中的机械能转化为电能，再进一步转化为激光和电磁波信号，实现从环境到接收器的能量与信号转换；接收端采用线圈和硅基光电探测器分别探测电磁波与激光信号（图1a、图1b）。由于激光和电磁波的脉冲率均与环境诱导运动频率成正比，因此可利用任一信号推断风速等环境参数。电磁波信号经频谱分析后，可识别金属存在，并借助频谱分析和人工智能识别气体与液体类型；激光信号则可通过衰减特征检测海水等介质中的污染。激光因准直特性适合点对点通信，电磁波因各向同性适合广播式信息传输，但多节点同时工作时会带来信号源区分难题，因此研究通过调制放电电路中的电感来调谐电磁波辐射频率，使不同自供电辐射器的电磁波信号在频谱上可区分。器件集成了摩擦起电模块和放电诱导辐射模块，采用不对称摩擦结构，动子摩擦面积小于5 cm²，比定子小110倍以上，从而在超低机械能下仍可采集能量（图1c）；同时利用瞬时击穿机制将电荷转移时间压缩至200 ns以下，产生超高输出电流（图1d）。与以往工作相比，该辐射器具有2个通信通道、严格实验验证的100 m传输距离、5个信息维度以及100的最高品质因数（图1e）。

图1 所开发自供电无线传感系统的示意图。a 从环境到接收器的能量与信号转换过程示意图，由所开发范式中的机械能到电能再到光和电磁波信号的转换机制赋能。b 所开发传感系统的演示应用与信号接收模块。c 空间压缩方法示意图。d 时间压缩方法示意图。击穿放电瞬时产生超高电流并诱导电磁波。e 所开发辐射器与以往工作相比的特征。

在机理层面，电荷转移与辐射过程被划分为五个步骤（图2a）。动子进入定子摩擦区并接近接触电极E2时尚未发生空气击穿，因此没有电荷转移；当接触电极E1接近E2时，空气击穿发生，电荷在电极尖端积累并形成强电场，随后进入雪崩阶段，空气分子被击穿，负电荷在电场加速下碰撞空气分子，形成更多导电粒子并建立等离子体通道，使空气变为导电介质，从而在物理接触前完成放电。击穿诱导放电过程中，电荷高频振荡产生时变电场和磁场，形成电磁波辐射（图2b）；同时，电路中产生超高瞬时电流，用于驱动半导体激光（图2c）。由于半导体激光基于PN结，仅能在正向偏置下导通，因此研究采用整流桥以适配辐射器产生的交流电（图2c）。随后动子逐渐离开定子，由于诱导电极间处于开路状态，没有电荷转移；当动子完全离开定子摩擦区后，E1与E3之间再次发生空气击穿，转移电荷与第二步大小相等、方向相反，因此再次产生电磁波和激光。最后动子与定子分离并重新开始循环。研究还建立了电荷转移数学模型，并通过极限分析表明，即使动子长度极短，转移电荷仍可保持为原始转移电荷的一半。预接触击穿的物理起源进一步通过局部场增强因子、特征击穿距离以及间隙电阻从介质电阻到导电通道超低电阻的突变来解释，这种空间电场集中与瞬态导电通道对电荷释放时间的压缩共同构成了时空压缩摩擦电的物理基础，使峰值电流显著高于常规非击穿路径。

图2 a 所开发模型工作原理示意图，包括电荷转移过程、电荷转移方程。b 所产生电磁波的原理。c 所产生激光的原理。

为验证上述机理，研究构建了线性摩擦验证装置并开展电学性能与参数优化测试（图3a）。测试平台同步测量电流和电磁波信号，在5 s时间跨度和8 GSa/s采样率下，电流与电磁波信号同时存在，并表现出强同步性和线性相关性（图3b、图3c）；在400 ns时间尺度下，电流表现为超高频交流振荡，而非单次电荷转移的直流脉冲，电磁波信号在电流开始后几纳秒出现，与从接触电极到探测线圈的传播延迟一致，证明电磁波源于击穿放电过程中的快速电子振荡（图3c）。不同动子长度下转移电荷在7—10 mm附近出现转折，可能受静电计采样率及阻抗匹配影响（图3d）。结构参数方面，滑动距离增加时电流先增大后趋于稳定，这与摩擦材料表面电荷密度逐渐饱和有关（图3e）；动子长度增加会扩大有效接触面积，提高表面电荷密度和电流输出，但摩擦力也随之增加。动子长度从2 mm增至5 mm时摩擦力仅略有增加，而从5 mm增至15 mm时摩擦力显著线性上升；输出电流与摩擦力之比在动子长度约7 mm时达到效率峰值，为辐射器设计提供了关键指导（图3g、图3h）。滑动速度超过临界阈值后，电荷补充速率快于耗散速率，表面电荷饱和，输出电流趋于平台（图3i）。接触电极间距实验显示，即使电极未物理接触，电流仍可存在，直到分离距离超过100 mm才出现明显输出退化，这直接支持了击穿诱导放电机理（图3f）；高压绝缘油实验和铁丝电极火花实验进一步证实放电发生在接触之前。环境因素方面，温度升高时电流先增后减，在25—40°C达到最大；相对湿度增加会因水膜形成漏电路径而降低输出；材料对比中FEP因兼具较高输出和优异电荷保持能力而更适合长期部署。旋转结构中，每个扇形定子中心角为65°，面积44.7 cm²，动子摩擦面积为4.9 cm²；定子网格数从4增至32时，放电频率线性提高8倍，而单次放电峰值强度几乎不变。连续20,000次循环测试中，4个独立器件表现出良好重现性，峰值电流、电流脉冲宽度、激光强度和电磁波幅度均保持稳定，放电成功率100%，摩擦表面和接触电极尖端未见明显磨损或烧蚀。

图3 所建立线性摩擦验证装置（线性摩擦纳米发电机）的实测电性能。a 电流和电磁波测试平台示意图以及线性辐射器的结构参数。b、c 线性装置的电流和电磁波强度。d 不同动子长度l2下线性装置的转移电荷量。e 不同摩擦距离下线性辐射器的电流。f 两个接触电极不同距离下线性辐射器的电流。g 不同动子长度l2下线性辐射器的电流和摩擦力及拟合曲线。h 不同动子长度l2下线性辐射器电流与摩擦力之比的拟合曲线。i 不同周期下电流的拟合曲线。对于a–h，动子速度为每周期1 s。对于b、c、f、i，动子长度为7 mm，摩擦距离为8 cm。对于d，摩擦距离为8 cm。对于e，动子长度为7 mm。对于h，摩擦距离为8 cm。

在旋转驱动条件下，辐射器由风鼓风机驱动并完成光学和电磁学表征（图4a）。研究选择静态正向偏置等效电阻为300 Ω的整流桥，以保证激光约2 A的最佳工作电流。在1 s时间分辨率和8 GSa/s采样率下，激光与电磁波同步辐射，峰值强度分别超过8 V和0.3 V（图4b）；在1000 ns时间分辨率下，激光信号的振荡持续时间更短、脉冲数更少，且大部分振荡位于x轴上方，而电磁波信号沿基线波动，说明激光消耗电流导致整体电流加速衰减，只有满足快门速度的振荡才能驱动激光二极管，因此每次放电的激光脉冲数少于电磁波（图4c、图4d）。快速傅里叶变换显示电磁波具有甚高频宽带发射谱（图4f）。通过调制放电电路电感，电磁波振荡频率随电感增加而降低，因为电感暂时存储能量并延长能量转移时间，从而可用于区分不同辐射源（图4e）；即使部分脉冲峰值频率接近15 MHz，每个信号至少具有两个振荡频率，仍可避免干扰影响。辐射特性方面，电磁波均匀向各方向辐射，而激光能量集中在2.8 mrad发散角内（图4g）。传输距离方面，激光强度随距离的衰减符合朗伯-比尔定律，拟合R²为0.98925，在100 m处仍高达118.43 mV，理论上当强度衰减至1 pW m⁻²时传输距离可达3317 m（图4h）；电磁波强度平方随距离平方衰减符合反平方定律，拟合R²为0.9353，在接收器最小可探测强度设为1 nW m⁻²时，理论最大传输距离为612 m（图4i）。实际距离会受大气散射、湍流、对准误差、障碍物、颗粒物、环境噪声和电磁干扰等影响，但高信号强度和良好线性为实际应用提供了支撑。

图4 由风鼓风机驱动的所开发辐射器产生激光和电磁波的光学和电磁表征结果。a 所开发辐射器测试平台示意图。b、c 所开发辐射器的激光和电磁波强度。d 所开发辐射器的激光与电流双通道结果。e 不同电感器下所开发辐射器产生电磁波的频谱图。f c中电磁波经快速傅里叶变换后的频谱图。g 所开发辐射器辐射的激光和电磁波的角度强度图。h 不同传输距离下所开发辐射器的激光强度以及基于朗伯-比尔定律的拟合曲线。i 不同距离平方下所开发辐射器电磁波强度平方以及基于反平方定律的拟合曲线。

在应用层面，该辐射器可集成到船舶等海洋平台，用于测量风速和大气能见度，并实现船舶碰撞预警和气体泄漏监测。风速测量中，激光和电磁波的脉冲率均与风速线性相关，激光辐射频率与风速的线性回归R²为0.99714，经曲线校准后风速计算与商用风速计数据吻合，准确率达99%（图5a-1、图5a-3）；电磁波方法具有相同回归结果，切入风速为3 m s⁻¹（图5a-1）。水污染监测基于朗伯-比尔定律，通过不同浓度绿色染料模拟水体浊度，激光透射率与染料浓度线性拟合R²为0.99941（图5b-2），由激光衰减推导的浊度与实际染料浓度吻合，准确率95%（图5b-3）；最大可测染料浓度为2 mg mL⁻¹，使用雪崩光电探测器后检测限可达80 mg mL⁻¹。金属探测方面，金属物体接近接收线圈时会因电磁感应和涡流效应改变局部电磁场分布，进而改变线圈有效电感并调制电磁波频谱；有金属和无金属时，电磁波频谱在40—60 MHz和80—120 MHz范围内出现显著差异和特征峰（图5c-2、图5c-3），金属探测检测限为200 cm。气体识别方面，在常压下测试CO₂、He、Ar、N₂和空气，不同气体环境下电磁波波形经ResNet-18卷积神经网络分类，识别准确率达100%（图5d-2、图5d-3）。液体识别方面，将水、酱油、香油、花生油、料酒、甘油和乙二醇依次引入电容器间隙，电磁波信号经ResNet-18分类，预测准确率同样为100%（图5e-2、图5e-3）；t-SNE可视化显示液体和气体目标均形成分离且凝聚的簇，无明显边界重叠，支持向量机基线分类器对气体和液体的总体准确率分别为94.00%和95.24%，而ResNet-18的100%准确率显示其深层层级特征提取在区分结构相似目标方面更具潜力。

图5 所开发辐射器的应用。a-1 实际风速与电磁波测量风速的比较。a-2 所开发辐射器测量风速的示意图。a-3 实际风速与激光测量风速的比较。b-1 通过所开发辐射器发射激光监测水污染的示意图。b-2 激光透射率与染料浓度之间的线性关系。b-3 实际染料浓度与激光测量染料浓度的比较。c-1 使用所开发辐射器检测金属物体的示意图。c-2 有和无金属存在时电磁波的时域谱。c-3 有和无金属存在时电磁波的频域谱。d-1 使用所开发辐射器识别气体组分的示意图。d-2 不同气体组分下击穿产生的电磁波谱。d-3 神经网络预测的气体识别结果。e-1 使用所开发辐射器识别液体的示意图。e-2 不同液体类型下击穿产生的电磁波谱。e-3 神经网络预测的液体类型识别结果。

总体而言，该研究提出了一种由气体击穿驱动的时空控制瞬时电荷转移机制，使自供电无线辐射器能够同时发射激光和电磁波。与传统摩擦纳米发电机系统不同，该研究采用不对称摩擦配置，动子显著小于定子，摩擦接触面积小于5 cm²，将摩擦阻力降低至25 mN，同时保持11 A的超高瞬时输出电流。借助激光和电磁波辐射特性，辐射器实现了对环境运动轮廓、水污染、金属存在、气体组分和液体类型的实时多维感知；通过电感调谐进行频率调制，还可区分来自不同传感节点的电磁波信号。在超高电流支撑下，同步激光与电磁波辐射实现了实验验证的100 m通信距离和至少5个环境维度的感知能力，品质因数达到100。该工作确立了时空压缩摩擦电的概念，使单一摩擦电系统内同时产生激光和电磁波成为可能，并为未来自供电物联网传感与通信系统提供了新的概念框架。