脑洞大开 “摩擦生电”有望拯救可穿戴设备续航

最早研发出的奈米发电机。两层薄膜在重复摩擦与分开的动作之际，可以产生交流电，图七为操作步骤。

　　图六、TENG的四种基本的操作模式

　　图七、垂直接触-分离模式

　　第二种为滑动模式（Lateral Sliding Mode），周期性的滑动也可以产生交流输出，而且可以设计为平面滑动（planar motion）、圆柱旋转（cylindrical rotation）或是平盘旋转（discrotation），图八为操作步骤。

　　图八、滑动模式

　　第三种为单电极模式（Single-Electrode Mode），与上述二种模式的差别在于只有下层薄膜接负载，而上层薄膜则是自由上下移动的，所以此种模式可用于例如以指尖滑动摩擦生电的应用，图九为操作步骤。

　　图九、单电极模式

　　第四种为独立摩擦层模式（Freestanding triboelectric-layer mode），见图六（d），与上述三种操作模式最大的区别在于上下面板是不接触的，因此可以降低两层薄膜接触面的磨损率。

　　在当初开始研究TENG时，其目标就是为了要对传感器网络中的小型电子组件提供电源，而研发至今，已证实摩擦生电奈米发电机不仅能攫取小尺度的能量，也能收集大规模的能量，例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。

　　在2013年，王中林教授团队于ACSNANO期刊发表论文"Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energyandas Self-Powered Active Tactile Sensor System"（图十），将TENG置于人体皮肤之上，然后收集TENG与皮肤摩擦之后产生的电力，如此采集到的生物机械能可以点亮数十颗绿光LED，而这也让人体自我发电并供电给行动装置的实现可能性大幅上升。

　　图十、与皮肤摩擦的TENG

　　新加坡国立大学在2015年1月于IEEEMEMS2015研讨会上，发表论文"Skin Based Flexible Triboelectric Nanogenerators with Motion Sensing Capability"，更进一步将奈米发电机以贴片的方式黏在手臂或喉咙的皮肤上，光是拳头握紧或是讲话发声等这么简单不费力的动作，就可以产生7.3V~7.5V的电力；而在实验中，最高可产生90V及0.8mW的电力，已足够点亮12个商用LED灯。

　　这款发电贴片其尺寸仅如邮票一般大小，也因为采用金箔做为电极（图十一），而非使用材质较硬的氧化铟锡（ITO）做为电极，所以可以更易于贴合在皮肤之上，相对于之前所发表技术来说，更适合用于人体自我发电的应用。

　　图十一、以金箔做为电极

　　如果摩擦生电奈米发电机的技术在未来可以达到商业化的标准，那么，穿戴者就可以随时随地为自己的装置充电，而穿戴式装置就可以不再需要以大颗的电池来延长续航力了。

　　虽然摩擦生电奈米发电机的技术发展，不论是用于人体动能采集，或是用于自然风雨的能量采集，将继续面对许多务实问题的挑战，例如材料的稳定度、长期摩擦后的磨损率、高电压低电流的电源管理技术、能量储存技术、封装、连接或整合至装置等等问题，但不可否认的是，我们习以为常的摩擦生电现象，竟也有如此实用的潜力，微小的能量汇聚之后也有巨大的用处，未来还会发展到什么样的境界呢？嗯，不要被您的想象力给框限住了喔！