摩擦起电效应在一百多年前首次被记录为一种经典的静电现象，如今已实现显著转型，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，而摩擦纳米发电机（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，通过静电感应形成电场，从而诱导外部电路中的电子流动并产生电能。虽然现有的纳米发电机种类繁多，但 TENGs 的独特之处在于能够将低至 5 Hz 的振动转化为有用的能量。
因此，TENGs 已成为一种极具前景的技术，适用于可持续和自供电系统，能够将无处不在的机械能转化为电能，即使在低频环境下也能实现。在过去十年中，相关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的多元化应用创新。
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增加以及纳米技术的进步，TENGs 的应用范围正不断扩大。
十年间的爆发式研究增长
自 2012 年问世以来，TENGs 的发展历程伴随着显著的学术关注和技术创新（见图 1）。我们查阅了 CAS Content CollectionTM，这是全球最大的人工标引科学出版物合集，涵盖了 2012 年至 2025 年的文献。分析显示，关于 TENGs 的学术出版物数量大幅增加，反映了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）的增长速度相对慢于期刊出版物，因为 TENGs 尚属新兴技术，仍处于研究阶段而非大规模商业化阶段。目前的研究重点在于开发摩擦层材料、优化纳米发电机结构、改善静电功能及输出电能，并增强设备性能的稳定性。
双重功能驱动全新应用
TENGs 利用在摩擦电序列中具有固有摩擦正电或负电特性的材料。TENGs 最令人兴奋的特点之一是其双重功能；由于它们既可以作为独立设备自供电，也可以作为其他设备的电源，因此能够满足先进电子产品和零排放电力的需求。
- 作为自供电有源设备：摩擦层材料经过精心选择，以充当有源自供电组件。在此类应用中，TENGs 将机械刺激转化为电信号，输出信号的幅度和频率与机械刺激直接相关。这使得 TENGs 能够提供实时、高分辨率的数据，非常适合用于可穿戴设备、生物医学设备、电子皮肤和人机交互界面。
- 作为外部电源：TENGs 通过收集环境机械能为超级电容器或微型电池等储能设备充电，从而为低功耗电子产品供电。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，甚至偏远地区缺乏常规电源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
TENG 具有四种不同的工作模式，每种模式都具备独特的发电机制（见图 2）。
- 垂直接触-分离模式： 两种材料接触后垂直分离，在表面产生异性电荷。这种分离产生电势差，驱动电流流经外部电路。该模式非常适合垂直按压运动。
- 水平滑动模式： 摩擦电层在水平方向上相互滑动，导致接触面积发生位移，从而产生电荷分离和电流。该模式适用于滑动、摩擦或扭转等平面内运动。
- 单电极模式： 一个摩擦电层接地，另一个（通常为移动端）在接触/分离或滑动时诱导产生电势差。该模式非常适合人体皮肤或流动水体等自由移动或不规则物体。
- 独立摩擦电层模式： 一个移动的摩擦电层（未连接电极）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。该模式对于旋转装置、风能/水能驱动系统以及发动机振动非常有效。
除了这些众多的工作模式外，TENG 在从微观到宏观的广泛能量收集规模上展现出内在的适应性。这种多功能性源于其多样的运行模式、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，TENG 正根据振动源的类型被集成到大型、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 内容合集的分析详细概述了 TENG 当前及新兴的应用领域，具体说明如下：
为可穿戴设备提供动力与灵活性
可穿戴设备 是指佩戴在人体上、通常贴近皮肤以追踪、分析和传输个人数据的电子产品。由于能够实时监测健康、健身及其他生物特征数据，这些设备已广受欢迎。TENG 可以从行走、跑步甚至细微的身体运动等各种机械运动中收集能量。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。这些传感器甚至无需外部电源即可运行。
材料研究人员可以使用 CAS SciFinder 搜索材料科学文献，识别支持创新的结构-性能关系和合成方法。
TENG 可由柔性材料制成，因此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 正逐渐成为植入式设备的外部动力源。它们可以为心脏起搏器、植入式传感器和药物输送系统等设备供电。这些设备从身体运动、器官活动或流体流动中收集生物机械振动，并将其转化为可用的电能。可以使用 PDMS、硅胶或水凝胶复合材料等生物相容性材料，且 TENG 装置可以微型化以适应狭窄的解剖空间。
实现闭环电刺激
由于能够从生物机械活动中产生电能，TENG 在闭环电刺激系统中的应用日益广泛。它们可以作为主动式自供电生物传感器，检测身体运动、神经活动或机械形变，并将这种生物机械振动能转化为电能用于电刺激。应用实例包括：利用胃肠蠕动能量进行神经源性膀胱功能减退的迷走神经刺激控制系统、疼痛调节治疗，以及基于运动或压力水平的响应式刺激肌肉康复系统。
用于人机交互的摩擦纳米发电机
作为灵敏的自供电传感器，TENG 实现了直观且实时的人机交互（HMI）。其高灵敏度、柔韧性和可扩展性使其适用于假肢、虚拟/增强现实和交互式表面。一些用于神经损伤或软组织缺失患者的触觉恢复装置已采用 TENG 技术并进入市场。 最新进展包括双模交互，即 TENG 辅助语音和手势识别，增强了交互能力。此外，纳米光子读出电路正被用于稳定和提升基于 TENG 的 HMI 的实时性能。
助力海洋能收集
利用摩擦纳米发电机（TENG）进行波浪能收集已成为一种将低频海浪运动转化为电能的有前景的方法。关键设计包括基于摆锤、滚动球体和混合系统的装置，这些装置可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 TENG 在分散式海洋能源收集方面展现出潜力，但仍需解决其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
TENG 非常适合收集低频、不规则的机械能。然而，其输出可能具有间歇性，因此在单独使用时并非适用于所有环境。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 TENG 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，TENG 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。
多种材料可供不同应用选择
由于材料特性对于提升 TENG 的输出至关重要，因此材料的选择是决定其性能和应用范围的核心。摩擦起电效应无处不在，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 是作为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设备。
导电聚合物复合材料（如 PDOT:PSS 和 石墨烯）以及 MXenes 等二维材料，均可用作柔性电极和智能纺织品。金属有机框架 (MOF) 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 内容合集的分析中，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-半导体界面上还发现了一种新效应，即 摩擦伏特现象，通过在 p 型半导体与 m 型半导体或金属表面之间滑动即可产生直流电。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
尽管潜力巨大，但 TENG 在更广泛的应用中仍面临关键挑战，例如能量转换效率、耐用性、可扩展性以及对其功能认识的局限性。它们不仅面临来自成熟技术的竞争，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混合，以提高输出功率。
- 开发可用于实际生产的可扩展制造方法。
- 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。
点亮未来，从每一次接触开始
从经典的静电学起源到现代的能量收集器，TENG 已经实现了非凡的转变。摩擦起电效应最初被视为材料接触的简单副产品，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、设计优化和跨学科合作推动了这一变革。
摩擦纳米发电机（TENG）已从实验室原型演变为实用的装置，并在多个领域得到应用。这一进展不仅体现了TENG的灵活性与高效性，更彰显了其对不同规模和环境的适应能力，展示了其在应对现实能源挑战方面的巨大潜力。
随着我们迈向以智能设备和可持续能源系统为主导的未来，TENG兼具能量采集与自供电系统的独特双重功能，使其处于下一代技术的前沿。无论是嵌入衣物、植入生物医学设备，还是作为远程环境中的能量采集器，TENG都为实现清洁、免维护的智能电子产品开辟了新路径。
