摩擦电效应——一个早在上世纪就被记录为经典静电现象的原理——近期经历了显著的变革，演变为可持续能源发电的前沿技术。这一古老原理曾被视为科学奇观，仅限于简单的静电演示，但摩擦纳米发电机（TENGs）的出现使其发生了革命性的变化。
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TENGs 通过两种不同材料接触并分离时产生的电子转移，将机械能转化为电能。这一简单的过程会产生电荷不平衡，通过静电感应产生电场，从而诱导外部电路中的电子流动并产生电流。虽然其他纳米发电机早已存在，但 TENGs 的独特之处在于它们能够将低至 5 Hz 的振动转化为可用能源。
因此，TENGs 已经 成为一项前景广阔的技术 ，适用于可持续和自供电系统，即使在低频下也能将无处不在的机械能转化为电能。在过去十年中，研究已从概念验证设备发展为在可穿戴设备、医疗保健、环境监测和智能电子产品等领域中多样化、面向应用的创新。
截至 2024 年，全球 TENG 市场估值约为 12 亿美元。预计该市场将 显著增长，到 2033 年将达到约 136 亿美元，复合年增长率（CAGR）接近 25%。这一增长得益于 TENGs 在消费电子、医疗保健、航空航天与国防以及汽车工业中的应用潜力。 随着对可持续能源的需求和纳米技术的进步，TENGs 的应用范围日益广泛。
短短十年间研究呈爆发式增长
自 2012 年问世以来，TENGs 的发展历程伴随着巨大的学术兴趣和技术创新（见图 1）。我们对 CAS Content CollectionTMTM，这是全球最大的人工收录科学出版物合集，涵盖了 2012 年至 2025 年期间的内容。该分析显示，关于摩擦纳米发电机（TENGs）的学术出版物数量大幅增加，反映出其在能量收集和自供电系统领域日益重要的地位。
然而，专利（黄色）的增长速度相对低于期刊出版物的增长，因为 TENGs 是一项相对较新的技术，目前仍处于研究的早期阶段，尚未进入大规模商业化。研究重点集中在开发摩擦层材料、优化纳米发电机装置结构、改善静电功能和纳米发电机产生的电能输出，以及增强装置性能的稳定性。
双重功能推动新应用
TENGs 利用的材料本质上具有摩擦电正性或负性，如 摩擦电序列中所列。TENGs 最令人兴奋的特性之一是其双重功能；由于它们既可以作为独立装置实现自供电，也可以作为其他装置的电源，因此能够满足先进电子设备和零排放电力的需求。
- 作为自供电主动装置： 摩擦层材料经过战略性选择，以充当主动自供电装置。在这些应用中，TENGs 通过输出信号与机械刺激在幅度和频率上的直接相关性，将机械刺激转化为电信号。这使得 TENGs 能够提供实时、高分辨率的数据，使其成为可穿戴设备、生物医学装置、电子皮肤和人机界面监测的理想选择。
- 作为外部电源： TENGs 通过收集环境机械能来为超级电容器或微型电池等储能装置充电，从而充当电源，为低功耗电子设备供电。作为能量收集器/电源，TENGs 在为可穿戴设备、便携式电子产品、物联网（IoT）节点，甚至在没有常规电源的偏远地区的环境监测系统供电方面发挥着重要作用。
多种结构设计与优化模式
TENGs 有四种不同的工作模式，每种模式都有其独特的发电机制（见图 2）。
- 垂直接触-分离模式： 两种材料相互接触后垂直分离，在表面产生相反的电荷。这种分离会产生电位差，从而驱动电流通过外部电路。它非常适合垂直按压运动。
- 水平滑动模式： 摩擦电层相互水平滑动，在接触区域产生位移，从而导致电荷分离并产生电流。它适用于滑动、平移或扭转等平面内运动。
- 单电极模式： 一个摩擦电层接地，而另一个（通常是可移动的）在接触/分离或滑动时感应出电位差。它非常适合自由移动或不规则的物体，如人体皮肤或流动的水。
- 独立摩擦电层模式： 一个可移动的摩擦电层（未连接到电极）在两个固定电极之间移动，由于静电平衡的变化而诱导电荷流动。它对于旋转装置、风能/水能驱动系统和发动机振动非常有效。
除了这些众多的工作模式外，TENGs 在从微观到宏观的广泛能量收集规模上表现出固有的适应性。这种多功能性源于其多样的操作模式、模块化设计以及可针对特定环境和能源进行定制的广泛材料选择。因此，TENGs 正根据振动源的类型被整合到大型、中型和小型能量收集系统中（见图 3）。
从生物医学到可再生能源的创新应用
TENG 用途广泛，随着先进电子设备和电池储能技术的日益普及，其应用场景将不断增加。如图 4 所示，我们对 CAS Content CollectionTM 的分析详细概述了 TENG 当前及新兴的应用领域，具体描述如下：
为可穿戴设备提供动力与灵活性
可穿戴设备 是指佩戴在身体上、通常贴近皮肤以追踪、分析和传输个人数据的电子产品。这些设备因能够实时监测健康、健身及其他生物特征数据而广受欢迎。TENG 可以收集行走、跑步甚至细微身体运动产生的各种机械能。这些收集到的能量可用于为可穿戴设备供电，并制造出能够监测心率、呼吸和体温等各种生理参数的自供电传感器。这些传感器还可以在无需外部电源的情况下运行。
TENG 可由柔性材料制成，非常适合集成到服装和配饰中。这种灵活性确保了佩戴者的舒适度和易用性，并使其能够用于环境监测，例如检测温度、湿度和空气质量的变化。
为植入式医疗设备供电
TENG 正逐渐成为 一种外部动力源 ，用于植入式设备。它们可以为 心脏起搏器、 植入式传感器等设备供电，以及 药物递送系统。这些装置能够收集来自人体运动、器官活动或流体流动的生物力学振动，并将其转化为可用的电能。PDMS、硅胶或水凝胶复合材料等生物相容性材料均可使用，且摩擦纳米发电机（TENG）装置可按比例缩小，以适应狭窄的解剖空间。
实现闭环电刺激
由于 TENG 能够从生物力学活动中产生电能，因此在闭环电刺激系统中得到了越来越多的应用。它们可以作为主动式自供电生物传感器，检测人体运动、神经活动或机械形变，并将这种生物力学振动能转化为电能，用于电刺激。应用实例包括针对以下病症的自动控制系统： 神经源性膀胱功能减退 迷走神经刺激 利用胃肠蠕动能量， 疼痛调节治疗，以及 肌肉康复 通过基于运动或压力水平的响应式刺激来实现。
用于人机界面的摩擦纳米发电机
由于 TENG 是灵敏的自供电传感器，它们能够实现直观且 实时 的人机界面（HMI）。其高灵敏度、柔韧性和可扩展性使其适用于假肢、 虚拟/增强现实以及交互式表面。一些 触觉修复装置 在神经损伤或软组织缺失患者中使用摩擦纳米发电机（TENGs）的设备已进入市场。 最新进展包括 双模交互，即 TENGs 可辅助语音和手势识别，从而增强交互能力。此外， 纳米光子读出 电路正被用于稳定和提升基于 TENG 的人机界面（HMI）的实时性能。
促进海洋能源收集
利用 TENGs 进行波浪能收集已成为将低频海浪运动转化为电能的一种极具前景的方法。关键设计包括摆式、滚动球式和混合系统，它们能将波浪引起的机械运动转化为电能。其应用范围涵盖浮标、海上传感器以及混合可再生能源系统。尽管 TENGs 在分散式海洋能源收集方面展现出潜力，但仍需解决在恶劣海洋环境下的可扩展性和耐用性等挑战。
与其他纳米发电机混合以提高可靠性
TENGs 非常适合收集低频、不规则的机械能。然而，其输出可能呈间歇性，因此在某些环境下单独使用并不理想。将互补技术进行混合可拓宽其能量收集范围。混合方式包括将 TENGs 与基于其他机制（如压电、热电和热释电效应）的纳米发电机相结合。此外，TENGs 还与 电池和超级电容器以及 基于 TENG 的不间断电源（UPS）进行混合，以增强电荷存储和供应能力。
适用于不同应用的多样化材料
由于材料性质对于提升 TENG 的输出至关重要，因此材料的选择对其性能和应用范围起着核心作用。摩擦电效应无处不在，可发生在自然界中任意两种材料之间。对于 TENG 层，绝缘体和介电材料因其能够保持静电荷并防止耗散而被广泛使用。
聚合物 是被选作摩擦电层的主要材料类别，因为许多聚合物具有极强的摩擦电正性或负性（基于摩擦电序列），这增强了接触表面之间的电荷转移。聚合物的柔韧性也使其非常适合用于可拉伸和可穿戴应用。
导电聚合物 复合材料 如 PDOT:PSS 和 石墨烯 可用作柔性电极和智能纺织品，MXenes 等二维材料亦是如此。 金属有机框架 (MOFs) 具有强大的电荷诱导和电荷捕获能力，使其适用于可穿戴设备中的 TENG。在对 CAS Content Collection 的分析中，我们将 TENG 相关出版物中提到的材料进行了可视化展示（见图 5）。
金属-半导体界面上还存在一种新发现的效应，即 摩擦伏特效应，即通过在 p 型半导体与 m 型半导体或金属表面之间滑动来产生直流电。这进一步将 TENG 的材料视野扩展到了金属-半导体界面、 p-n 半导体界面、金属-绝缘体-半导体界面以及 金属-绝缘体-金属界面。
广泛应用的挑战
尽管 TENG 潜力巨大，但其更广泛的应用仍面临诸多关键挑战，例如能量转换效率、耐用性、可扩展性以及对其功能了解不足。它们不仅面临来自现有技术的竞争，在与现有系统集成时也存在障碍。
为克服这些挑战，研究人员正致力于：
- 设计具有更高摩擦电性能、自修复特性和环保性的先进材料。
- 将 TENG 与其他能量收集机制相结合，以提高输出。
- 开发可扩展的制造方法，以实现实际应用。
- 改进电源管理系统，以实现高效的能量存储和可用性。
- 使用可生物降解的天然聚合物，以提供更环保的解决方案。
赋能未来，从每一次接触开始
从经典的静电学起源到现代能量采集器的应用，摩擦纳米发电机（TENGs）经历了非凡的变革。摩擦电效应最初被视为材料接触产生的简单副产品，如今已重新成为将环境机械能转化为电能的强大机制。在过去十年中，材料创新、设计优化以及跨学科合作推动了这一转型。
TENGs 已从实验室原型演变为在多个领域得到应用的实用装置。这一进展不仅体现了 TENGs 的灵活性和高效性，还展示了其对各种规模和环境的适应能力。这表明它们在应对现实世界的能源挑战方面具有巨大潜力。
随着我们迈向由智能设备和可持续能源系统主导的未来，TENGs 作为能量采集器和自供电系统的独特双重功能，使其处于下一代技术的前沿。无论是嵌入服装、植入生物医学设备，还是作为偏远环境中的能量采集器，TENGs 都为实现清洁、免维护的智能电子产品提供了路径。
