中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的融合已將體育運動帶入數(shù)字化信息時代。這一變革推動了鍛煉方法、運動理念的創(chuàng)新，并促進(jìn)了智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用。體育數(shù)字化依賴于部署在運動場地、運動器材和運動員上的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以收集實時運動表現(xiàn)數(shù)據(jù)。通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析，這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的運動表現(xiàn)評估、個性化訓(xùn)練方案以及比賽中的客觀決策。然而，傳統(tǒng)傳感器通常由電池供電，這可能導(dǎo)致高昂的維護(hù)成本、環(huán)境問題，并影響其可穿戴性能。為克服這些挑戰(zhàn)，迫切需要開發(fā)輕量化、免維護(hù)的傳感器，以提高體育系統(tǒng)的效率和持續(xù)性。
2012年，王中林教授提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）。其工作原理基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。TENG具有高效率、結(jié)構(gòu)多樣化和材料選擇范圍廣等諸多優(yōu)勢，可用于收集體育活動過程中產(chǎn)生的各種機(jī)械能。通過將機(jī)械刺激（如人體運動、物體振動和流體流動）直接轉(zhuǎn)化為電信號，TENG也能作為自供能傳感器使用，這對于發(fā)展免維護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要。因此，TENG技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能體育等需要大量分布式設(shè)備的新興領(lǐng)域，提供了一種極具前景的能源解決方案。
在各種TENG材料中，氣凝膠在壓力傳感應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大潛力。其獨特的三維多孔結(jié)構(gòu)可提供高傳感靈敏度，因為壓縮過程中接觸面積的逐漸增大會增強(qiáng)TENG的輸出。然而，大多數(shù)氣凝膠存在脆性大、機(jī)械強(qiáng)度低和可壓縮性有限的問題。此外，其較差的導(dǎo)電性和微弱的電荷存儲能力限制了TENG的輸出功率和效率。為應(yīng)對這些局限，需要開發(fā)簡單而有效的加工策略，以同時提升氣凝膠的機(jī)械性能和電學(xué)性能，從而優(yōu)化其在TENG制造中的性能，并拓展其在智能可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。
近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士課題組報道了一種利用簡單高效的冷凍干燥策略制備的全氣凝膠摩擦納米發(fā)電機(jī)（AA-TENG）。該器件具有優(yōu)異的彈性、高輸出性能和超低密度（7.92×10-3 g/cm3）。AA-TENG的電極由高彈性（高度保持率≥90%）且柔性的纖維素/碳納米管氣凝膠構(gòu)成，采用兩次冷凍干燥法制備。其摩擦層則由具有優(yōu)異摩擦電性能的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）氣凝膠構(gòu)成（β相含量高達(dá)88.95%），通過簡單的定向冷凍干燥與壓縮工藝制備。此外，我們通過密度泛函理論和實驗研究，系統(tǒng)驗證了PVDF氣凝膠中β相含量對提升摩擦電性能的作用機(jī)制。得益于其卓越性能，AA-TENG進(jìn)一步被用作主動式摩擦電傳感器，用于開發(fā)自供能無線擊劍動作分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)響應(yīng)時間短（<60 ms），能精準(zhǔn)記錄擊打位置和時機(jī)，以輔助比賽判罰。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該系統(tǒng)可精確分類三種擊劍動作（驗證準(zhǔn)確率達(dá)100%，損失值低至0.0858），為訓(xùn)練中提高準(zhǔn)確性和識別弱點提供寶貴見解。這項工作為智能體育和大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的自供能系統(tǒng)提供了新穎的策略，有望對全球體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
該成果以“Highly elastic, lightweight, and high-performance all-aerogel triboelectric nanogenerator for self-powered intelligent fencing training”為題，發(fā)表在近期的Materials Science and Engineering: R: Reports期刊上，文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101004。該文章的第一作者為研究生陳慕琦、季明瀾，北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、駱健俊副研究員，中國海洋大學(xué)李瀟逸教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、山東省自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1.AA-TENG 的擊劍應(yīng)用示意圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖2. 纖維素/碳納米管氣凝膠的制備流程和性能表征。
圖3. PVDF-TrFE 氣凝膠的制備流程和性能表征。
圖4. AA-TENG 的工作原理和輸出性能。
圖5. AA-TENG在自供電無線擊劍受擊分析系統(tǒng)中的應(yīng)用。
