摩擦纳米发电机（TENG）作为物联网领域极具潜力的能源供给与自供电传感器件，其输出电流强烈依赖机械激励速度，在超低速激励条件下性能严重受限，成为该领域的关键挑战。尽管已有多种策略被探索用于将相对低速的机械输入转化为高速运动，但在超低速激励下实现足够的电流密度增强仍是巨大难题。

近日，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队联合多家单位，提出一种弧形结构摩擦纳米发电机（A-TENG）设计策略，通过弧形结构的弹性储能与释放机制，将超低速输入转化为部件的高速运动，实现电流密度的超2000 倍提升。该研究成果以 “Over 2000-fold current enhancement via arc-based triboelectric nanogenerator at ultralow stimulation speed for identity recognition” 为题发表于国际期刊Advanced Energy Materials上。

研究团队提出弧形结构摩擦纳米发电机（A-TENG）设计，以突破传统TENG 在超低速外激励下的性能瓶颈（图1）。理论、数值模拟与实验结果共同验证，弧形结构可在超低速激励下高效储存弹性能，并在外力卸载时快速释放已储存的弹性能以驱动摩擦层高速接触分离（图2）。该设计使A-TENG 器件在0.1 mm·s⁻¹激励速度下，输出电流密度较传统平面接触分离式TENG 提升超过2000 倍。进一步，本研究使用有限元方法（FEM）系统地分析了弧形几何参数对J 形结构力学性能的影响，为该策略的结构尺寸设计提供了明确指导（图3）；同时，预压缩策略的引入可确保小压缩位移下仍能输出大电流，提升器件在微弱激励下的工作能力（图4）。更重要的是，利用A-TENG 可以依托摩斯电码实现自供电身份识别应用，在正常速度与超低速按压下均能稳定输出电信号，并基于按压时序特征对于6人之内的身份识别平均准确率达95.42%（图5），为超低速机械能采集与自供电传感场景提供了全新解决方案。

论文第一作者为力学所研究生谢飞宇，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。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71034

图1. A-TENG 与C-TENG 之间的性能差异

图2. 摩擦纳米发电机A-TENG 的工作机理

图3. 几何参数对J 型结构力学性能的影响

图4. 摩擦纳米发电机A-TENG 的电学性能

图5. 通过摩擦纳米发电机敲击摩尔斯电码实现身份识别