西北工业大学苑伟政团队：一种可集成于UAV可变形机翼的蜂窝式驻极体/摩擦纳米发电装置

2. 该多层蜂窝状驻极体/摩擦纳米发电结构的自恢复特性可实现自驱动鞋垫的足底压力检测及动态显示。

3. 首次将蜂窝状驻极体/摩擦纳米发电结构用于UAV可变形机翼舵面运动能量的提取与转化。

图1. (a) h-TENG的多层蜂窝状结构图；(b, c) 单拱形结构的能量收集蜂窝单元结构图：具备表面微结构的FEP电镜图和AgNWs的表面形貌电镜图；(d-e) h-TENG的弯折和按压运动模式。(f-g) 用于无人机变形机翼运动能量收集的h-TENG的原理及概念图；(h) 足底运动压力检测的应用。

本文研究发现，由于PET材料优异的柔性及透明性，因此可用于作为柔性导电电极基底，通过一系列的制作工艺来实现h-TENG的最终加工成型。h-TENG不仅具备优异的透明度，而且可以通过内部多孔结构的单层单元提升其压缩过程中的电容变化。在h-TENG的压缩运动过程中，基于FEP驻极体的静电感应和接触摩擦起电效应同时发生，进一步提升了h-TENG的输出效能(如图2所示)。

通过对比不同波长、幅值和层数下的h-TENG输出电压和输出电流(如图3a-f)，由于波长的增加将会缩小h-TENG压缩时的电容变化值，因此波长与输出效能成负相关；幅值的增加将会增大h-TENG压缩时的电容变化值，因此幅值与输出效能成正相关；与此同时，随着层数的增加，h-TENG的输出效能也随之增长。

图2. (a-h) h-TENG的制作过程；(i-j) 单层/多层h-TENG的实物照片；(k) 不同压缩成都下的h-TENG电容变化；(l) 双层结构h-TENG在运动时的电场分布情况。

图3. (a-f) 不同波长、幅值和层数下的h-TENG的输出电压和电流对比；(g-i) 不同阻抗匹配和加速度激励下对应的h-TENG输出电流和最优化功率。

h-TENG非常适合于作为可穿戴设备收集人体运动能量。图4a表明开路电压和短路电流分别达到了1123 V和68 μA。通过外接班纳特调节电路，h-TENG的交流电可被转换为直流电并储存于电容元件中，手指敲击h-TENG，可以驱动75×55 mm²的LCD显示屏持续显示“NPU”字样(如图4b, c)。如图4d所示，通过最优化阻抗匹配，h-TENG在手掌敲击时可实现最大1207 V，68.5 μA和12.4 mW的瞬时输出。通过手掌按压十次h-TENG，可为灯泡功能并提供43勒克斯光强的照明。

通过对不同加速度激励下的h-TENG输出性能测试可以看出(图5a, b)，h-TENG可用于该加速度范围内的自驱动加速度计传感器。h-TENG自身具备优异的耐久度，在5g加速度、30 hz的频率下，在75000个循环周期中未出现明显的衰减(图5c)。同时针对不同的激励形式，如轻敲、弯折和按压，h-TENG有着各异的输出信号，此现象有助于将h-TENG应用于不同运动形式的检测领域(图5d-f)。本研究进一步的将h-TENG集成于鞋垫上，通过外接信号处理及图形显示模块，可对足底运动时的压力进行动态检测及实时显示(见图5g)。同时通过阵列化设计，h-TENG阵列可通过连接LED灯阵列直观的显示手指按压的位置(图5h)。

图4. (a) 手掌敲击下的h-TENG阻抗匹配结果；(b) 手指敲击h-TENG时点亮75×55 mm²的LCD显示屏；(c) h-TENG的外接班纳特调节电路；(d) 最优化阻抗匹配；(e) 通过敲击10次h-TENG可点亮灯泡并获得43勒克斯的光强。

图5. (a-b) 不同加速度激励下的输出电压及功率；(c) h-TENG的耐久性试验；(c) h-TENG的外接班纳特调节电路；(d-f) h-TENG在轻敲、弯折和按压时的输出电压信号；(g) h-TENG集成于鞋垫用于检测足底运动压力；(h) h-TENG阵列用于实现LED灯对运动区域的瞬时响应。

本研究亦设计制作了基于无人机变形机翼技术的h-TENG模块，其设计构型、运动逻辑及实物照片见下图6a-c，由转向舵机驱动可变形机翼实现舵面作动，同时由于记忆内部空间压缩激励h-TENG工作进而输出电能。通过对h-TENG柔性可变形机翼的输出电压进行检测，其在低频的舵面运动中具备良好的输出性能，这表明h-TENG在航空器能量收集领域有着广阔的应用前景。