同济大学：摩擦纳米发电机助力智能交通环境监测

颗粒在线讯：背景介绍

交通环境监测作为智能交通系统（ITS）的重要组成部分，主要用于感知车速、载重、车型和车辆计数等交通数据。物联网（IoT）在通信领域的发展为交通环境监测提供了新的机会，具有轻量化、移动式、环境友好等优势的无线传感器能够为交通环境监测提供实时、可靠的海量数据。但任何分布式的无线传感器都面临着能源供应的问题，智能交通环境信息监测对可持续自供能传感技术提出了迫切的要求。在众多的自供能传感技术中，摩擦电纳米发电机（TENG）具有能量密度高、成本低、适应性强等优点，可视为一种自驱动传感器（无需外部电源），精确感知速度、压力、湿度等信息。因此，基于摩擦纳米发电效应的自驱动传感技术有望在交通环境监测中发挥重要作用。但是，常规的基于摩擦纳米发电效应的自驱动传感往往需要材料的表面化处理，工艺复杂且成本高昂，而折纸堆叠的摩擦纳米发电机，将单一摩擦对放大为多层摩擦对，具有结构简单、体积小、成本低以及电学转换效率高的特点。因此，本研究中首次提出了一种新型的Waterbomb 折纸启发的摩擦纳米发电机（WO-TENG），在电子器件结构优化和电学信号分析的基础上，进一步集成到智能路面结构中， 证明其在智能交通环境监测中的可行性 。

研究方法

受Waterbomb折纸启发的摩擦电纳米发电机 (WO-TENG) 采用数值仿真、发电规律分析、室内加载研究、真车试验验证的方式，实现了WO-TENG向智能路面的集成。与目前传统的折纸结构的TENG相比，在具有多摩擦层保持协同性的条件下，其电学输出性能可提高67%以上。另外，全封装的WO-TENG能够解耦车速和荷载对感知精度的影响，其感知准确率达到98%以上。

图 1 Waterbomb折纸启发式摩擦学纳米发电机助力智能交通环境监测示意图. (a) Waterbomb 折痕图案；（b） 带有铜箔和聚四氟乙烯薄膜的二维平面示意图；（c） 安装导线的3D 摩擦纳米发电机；（d）展开后的立体TENG及其照片；（e）按压后的平面TENG及其照片；（f）WO-TENG向智能交通环境监测系统集成

成果简介

同济大学朱兴一教授课题组提出了一种新型的Waterbomb折纸启发式的摩擦电纳米发电机（WO-TENG），作为一种自供电的交通环境监测系统集成到智能路面中。具有以下优点：

（1）基于 Waterbomb折痕图案的多层周期性结构巧妙的增加了摩擦层面积，显著放大了接触起电和静电感应现象；

（2）Waterbomb三维折纸结构基于谷线和脊线构成的折痕图案获得，所制造的Waterbomb折纸启发式摩擦电纳米发电机（WO-TENG）的褶皱结构有利于储存更多的机械能，有助于TENG在没有其他辅助支撑结构的情况下自由恢复到原始状态。

（3）WO-TENG作为一种自供电的交通环境感知元件，集成于智能道路系统，可成功解耦车速和重量对感知精度带来的不利影响。证明了WO-TENG用于交通环境监测的可行性和稳定性。这项工作不仅可以解决传统交通环境监控系统的挑战，还能够推动基于TENG的自驱动传感器在ITS领域的发展。

图文导读

图 2 基于COMSOL的不同摩擦层单元夹角（θ）与两电极电势差关系的数值分析

图2展示了单个发电机单元的工作机制。在该模型中，构建了与实际器件模型相同的结构和尺寸，并为两个摩擦电表面层赋予了70μC/m2的电荷密度，以保持电荷守恒。两个电极之间没有电子转移，设备处于开路状态。

图 3 WO-TENG 的室内加载测试。（a）基于WO-TENG的智能路面结构示意图；（b）TENG在不同频率、负载影响下的电信号峰值（电压）；（c） 10Hz时峰值电压演变；（d） 15Hz时峰值电压演变；（e） 25Hz时峰值电压演变

图 4 不同载重决定的 WO-TENG d电学信号波形. (a) 1290 kg; (b) 1380 kg; (c) 1455 kg; (d) 1535 kg; (e) 1620 kg; (f) 1690 kg

文章信息

Yafeng Pang, Xingyi Zhu*, Ying Yu, Shuainian Liu, Yu Chen & Yi Feng. Waterbomb-origami inspired triboelectric nanogenerator for smart pavement-integrated traffic monitoring. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4152-6.