中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
物聯(lián)網(wǎng)與大數據的融合已將體育運動(dòng)帶入數字化信息時(shí)代。這一變革推動(dòng)了鍛煉方法、運動(dòng)理念的創(chuàng )新，并促進(jìn)了智能設備的廣泛應用。體育數字化依賴(lài)于部署在運動(dòng)場(chǎng)地、運動(dòng)器材和運動(dòng)員上的傳感器網(wǎng)絡(luò )，以收集實(shí)時(shí)運動(dòng)表現數據。通過(guò)先進(jìn)的數據分析，這些技術(shù)能夠實(shí)現精準的運動(dòng)表現評估、個(gè)性化訓練方案以及比賽中的客觀(guān)決策。然而，傳統傳感器通常由電池供電，這可能導致高昂的維護成本、環(huán)境問(wèn)題，并影響其可穿戴性能。為克服這些挑戰，迫切需要開(kāi)發(fā)輕量化、免維護的傳感器，以提高體育系統的效率和持續性。
2012年，王中林教授提出了摩擦納米發(fā)電機（TENG）。其工作原理基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應，能夠將機械能轉化為電能。TENG具有高效率、結構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(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的各種機械能。通過(guò)將機械刺激（如人體運動(dòng)、物體振動(dòng)和流體流動(dòng)）直接轉化為電信號，TENG也能作為自供能傳感器使用，這對于發(fā)展免維護系統至關(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用方面展現出巨大潛力。其獨特的三維多孔結構可提供高傳感靈敏度，因為壓縮過(guò)程中接觸面積的逐漸增大會(huì )增強TENG的輸出。然而，大多數氣凝膠存在脆性大、機械強度低和可壓縮性有限的問(wèn)題。此外，其較差的導電性和微弱的電荷存儲能力限制了TENG的輸出功率和效率。為應對這些局限，需要開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單而有效的加工策略，以同時(shí)提升氣凝膠的機械性能和電學(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備中的應用。
近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王中林院士課題組報道了一種利用簡(jiǎn)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（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）氣凝膠構成（β相含量高達88.95%），通過(guò)簡(jiǎn)單的定向冷凍干燥與壓縮工藝制備。此外，我們通過(guò)密度泛函理論和實(shí)驗研究，系統驗證了PVDF氣凝膠中β相含量對提升摩擦電性能的作用機制。得益于其卓越性能，AA-TENG進(jìn)一步被用作主動(dòng)式摩擦電傳感器，用于開(kāi)發(fā)自供能無(wú)線(xiàn)擊劍動(dòng)作分析系統。該系統響應時(shí)間短（<60 ms），能精準記錄擊打位置和時(shí)機，以輔助比賽判罰。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法，該系統可精確分類(lèi)三種擊劍動(dòng)作（驗證準確率達100%，損失值低至0.0858），為訓練中提高準確性和識別弱點(diǎn)提供寶貴見(jiàn)解。這項工作為智能體育和大數據分析領(lǐng)域的自供能系統提供了新穎的策略，有望對全球體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠影響。
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(diǎn)研發(fā)計劃、山東省自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1.AA-TENG 的擊劍應用示意圖和結構設計。
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(wú)線(xiàn)擊劍受擊分析系統中的應用。
