原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第1 期 《2025年摩擦納米發(fā)電機(jī)熱點(diǎn)回眸 》

摩擦納米發(fā)電機(jī)是一項(xiàng)新興的實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的平臺技術(shù)，在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和高熵能源等多個(gè)領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力?！犊萍紝?dǎo)報(bào)》邀請王中林院士團(tuán)隊(duì)撰文，文章綜述了2025年以來提高摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的最新策略和方法，回顧了摩擦納米發(fā)電機(jī)在多種應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展，以便更多的科技工作者能了解摩擦納米發(fā)電機(jī)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域更快發(fā)展。

自2012年王中林團(tuán)隊(duì)研發(fā)摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以來，該領(lǐng)域在全球研究中持續(xù)蓬勃發(fā)展，目前已發(fā)展成一個(gè)涵蓋材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和電氣工程學(xué)等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。目前該技術(shù)已不再受限于納米尺度，其核心機(jī)理在于利用摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的麥克斯韋位移電流，耦合接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或電信號。TENG的主要應(yīng)用包括：

（1）微納能源，TENG有望解決電子設(shè)備長時(shí)程供電困難、維護(hù)成本高的瓶頸問題；

（2）自驅(qū)動(dòng)傳感，TENG可將微弱的各類機(jī)械信號（力、形變、運(yùn)動(dòng)等）轉(zhuǎn)換為電信號，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)或主動(dòng)式的傳感技術(shù)；

（3）高壓電源，TENG可以應(yīng)用為經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的高壓電源；

（4）藍(lán)色能源，TENG可有效收集低頻水波能量，實(shí)現(xiàn)海洋藍(lán)色能源，助力“雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

近年來，TENG 已發(fā)展成為一個(gè)國內(nèi)外廣泛研究的前沿領(lǐng)域，且是一個(gè)具有顯著多學(xué)科交叉創(chuàng)新特征的領(lǐng)域。

2025年以來，TENG在性能提升、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用等方面都取得了顯著的進(jìn)步，如圖1所示。

圖1 TENG 2025年度6大熱點(diǎn)方向論文統(tǒng)計(jì)

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性能提升

2025年，研究人員在之前的研究基礎(chǔ)上，從精細(xì)優(yōu)化其摩擦介電材料性能、持續(xù)升級其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能量管理策略等多維度協(xié)同出發(fā)，使TENG綜合性能進(jìn)一步提升，為其走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.1 摩擦介電材料性能優(yōu)化與調(diào)控

為了構(gòu)建出高性能的TENG，研究人員從摩擦介電材料的表面形貌、組成成分變化等方面展開了相關(guān)的探索。

在表面修飾層面，通過引入納米顆粒（圖2（a））或利用激光刻蝕構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)以構(gòu)建多尺度粗糙結(jié)構(gòu)來增加有效接觸面積和電荷存儲位點(diǎn)，從而顯著提升表面電荷密度和輸出電流。在化學(xué)改性層面，利用引入或調(diào)控特定官能團(tuán)，不僅從分子和介觀尺度優(yōu)化電荷產(chǎn)生，可直接增強(qiáng)材料的電荷捕獲能力與摩擦電特性，而且改善潮濕環(huán)境下的性能。

采用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)（圖2（b）），結(jié)合電荷產(chǎn)生、存儲與運(yùn)輸功能分層或一體化設(shè)計(jì)，可使器件輸出性能參數(shù)獲得大幅度提升。這些從摩擦介電材料微觀電荷行為到宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化、協(xié)同創(chuàng)新，共同構(gòu)成了推動(dòng)TENG輸出性能邁向新高度的核心驅(qū)動(dòng)力。

圖2 摩擦介電材料性能優(yōu)化與調(diào)控

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化

將TENG的機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相結(jié)合，不僅可以提高其電學(xué)輸出性能，還可以提高設(shè)備的耐磨性和使用壽命等性能?；诮缑胬鄯e電荷高效釋放為目的，利用其器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖3（a））來突破傳統(tǒng)滑動(dòng)式TENG在界面電荷鎖定與固有電容限制下的性能瓶頸。通過電極巧妙的設(shè)計(jì)，不僅能有效抑制界面粘附與摩擦熱生成，而且能實(shí)現(xiàn)電荷在負(fù)載回路中的全周期有效傳輸，增強(qiáng)輸出性能（圖3（b））。

解鎖界面累積電荷、器件多通道設(shè)計(jì)等策略的共同發(fā)力，使得TENG已在微小位移、低頻率、復(fù)雜工況下兼具高輸出與高穩(wěn)定性，為自供能傳感、智能系統(tǒng)與環(huán)境能量采集落地奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖3 TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 TENG能量管理與性能優(yōu)化

2025年在能源管理方面也取得了顯著的進(jìn)展，針對低電平、間歇輸出設(shè)計(jì)定制電源管理電路（圖4（a）），實(shí)現(xiàn)高瞬時(shí)電流與持續(xù)供電。構(gòu)建雙相對稱降壓轉(zhuǎn)換器（圖4（b））解決三元直流TENG輸出存在閾值和電壓不可控特性問題，實(shí)現(xiàn)電容交替充放電，從而獲得高功率密度與電壓穩(wěn)定輸出。綜上所述，創(chuàng)新的能量管理電路有效緩解了TENG輸出不穩(wěn)定和阻抗不匹配等問題，為其在自供電系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 TENG能源管理策略

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微納能源

TENG憑借其小型化、輕量化、材料選擇廣泛、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活以及制備成本低等核心優(yōu)勢，能夠?qū)⒆匀画h(huán)境和生物體中廣泛存在的機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為電能。通過這一能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，TENG可為微納電子器件提供持續(xù)穩(wěn)定電力支持，推動(dòng)自供能系統(tǒng)發(fā)展。

2.1 微風(fēng)能收集

風(fēng)能作為一種可再生且全域分布的綠色能源，是緩解能源危機(jī)與環(huán)境壓力的重要候選項(xiàng)。TENG技術(shù)在低速風(fēng)能捕獲方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。

Pan等報(bào)道了一種由風(fēng)杯驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)開關(guān)式TENG，該裝置采用機(jī)械觸發(fā)開關(guān)（開?關(guān)?開）以增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)過程中的瞬時(shí)電流脈沖。Ding等提出了一種多層拍打式TENG，通過升阻調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)風(fēng)能采集。Qu等報(bào)道了一種可堆疊雙葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)致薄膜振動(dòng)TENG，它由通過螺桿擠出和連續(xù)壓延工藝制備的PVDF與PA11薄膜構(gòu)成。通過持續(xù)優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)約束結(jié)構(gòu)，TENG在2~5 m/s的低風(fēng)速范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)1183.33 mW/m2的峰值功率密度（圖5（a））。更重要的是，其可堆疊、可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支持集成數(shù)千個(gè)發(fā)電單元，顯著提升單位體積功率密度，為大功率微風(fēng)發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用提可行路徑。

2.2 振動(dòng)能收集

TENG憑借其獨(dú)特的電荷快速飽和特性，能夠高效捕獲微米級振動(dòng)能量。

Jiang等受蜘蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)狀TENG，用于微米級振動(dòng)的采集。該器件核心由氨綸彈性纖維編織的蜘蛛網(wǎng)狀彈性元件、銅電極及聚四氟乙烯（PTFE）薄膜構(gòu)成。Cheng等報(bào)道了一種基于TENG的自供電管道泄漏檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成懸臂梁振動(dòng)式TENG、能量存儲釋放管理模塊和無線傳輸模塊。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)激發(fā)的振動(dòng)會(huì)在不同位置的裝置中引發(fā)差異化的振動(dòng)響應(yīng)，系統(tǒng)通過采集這些微幅振動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)無線模塊發(fā)射特征信號，最終實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位（圖5（b））。

2.3 雨滴能采集

TENG憑借其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，為雨滴能的高效轉(zhuǎn)化提供了創(chuàng)新解決方案。

Chen等提出了一種由液滴驅(qū)動(dòng)的雙模TENG,由固液TENG和接觸分離TENG組成。多個(gè)雨滴同時(shí)落下時(shí)，不僅會(huì)觸發(fā)固液TENG工作，累積的液滴還會(huì)使柔性材料變形，從而觸發(fā)接觸分離TENG振動(dòng)以收集機(jī)械能。這種集成設(shè)計(jì)可以在自然降雨事件中最大化利用雨滴動(dòng)能，優(yōu)化了能量收集效率。通過模擬降雨條件，器件不僅成功為計(jì)算器、溫濕度計(jì)等便攜設(shè)備提供動(dòng)力，還可以檢測降水強(qiáng)度、頻率和pH值（圖5（c））。Wang等通過“Plateau?Rayleigh不穩(wěn)定性”原理設(shè)計(jì)了一種基于液體噴射的TENG。該裝置將低頻水流轉(zhuǎn)化成高頻液滴序列，顯著提升了電荷轉(zhuǎn)移效率。結(jié)合虹吸原理構(gòu)建的液位感知模塊，實(shí)現(xiàn)對容器水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測與低液位預(yù)警，拓展了雨滴能在工業(yè)流體監(jiān)測中的應(yīng)用場景。Bao等通過調(diào)控精確液滴與電極接觸分離的時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種直流輸出的液滴TENG。其直流輸出特性省去了整流電路，直接適配低功耗電子器件供電需求，有效降低了自供電系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本，為微型傳感器節(jié)點(diǎn)與自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等提供了更簡潔高效的雨滴能利用方案。

2.4 生物體機(jī)械能收集

TENG憑借低頻適配、柔性可貼合及微型化潛力，為生物機(jī)械能向電能的高效轉(zhuǎn)化提供關(guān)鍵技術(shù)突破口。

Mao等受DNA螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)一種多層螺旋剪紙結(jié)構(gòu)TENG，可將人體步行等機(jī)械運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為電能，為發(fā)展自供電、可穿戴的智能鞋墊提供切實(shí)可行的技術(shù)路徑（圖5（d））。Liu等報(bào)道一種基于TENG的可穿戴、無電池且無線微針生物電子裝置，以仿生結(jié)構(gòu)集成TENG和微針技術(shù)，為發(fā)展一體化、自供電的智能慢性傷口管理平臺奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。Kaur等設(shè)計(jì)一種集成于起搏器導(dǎo)線的螺旋纏繞式柔性TENG，可將心臟搏動(dòng)導(dǎo)致的導(dǎo)線形變直接轉(zhuǎn)換為電能，為發(fā)展微創(chuàng)、長效、自供電的心臟起搏技術(shù)提供切實(shí)可行的解決方案。

圖5 TENG用于收集微納能源

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自驅(qū)動(dòng)傳感與智能感知

TENG 技術(shù)正通過與人工智能、微納加工、先進(jìn)材料等領(lǐng)域的深度交叉，從單一的能源供給單元演變?yōu)榧兄⒐┠?、通信于一體的智能終端。

3.1 材料優(yōu)化與創(chuàng)新

摩擦電傳感技術(shù)的性能躍升正從單一靈敏度追求向高靈敏與寬量程兼具的方向轉(zhuǎn)型，這一突破的核心源于傳感材料的創(chuàng)新升級。新型功能材料與復(fù)合改性技術(shù)為性能優(yōu)化提供關(guān)鍵支撐，使傳感器在精準(zhǔn)感知微弱信號的同時(shí)，能夠適配更廣闊的壓力區(qū)間。

Hao等通過在聚合物基體中摻雜稀土氧化物，改善電荷捕獲、介電性能和界面極化效應(yīng)，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率，在尺神經(jīng)損傷引起肌肉萎縮的評估和康復(fù)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。Wang 等提出晶界工程策略，其核心機(jī)制在于晶區(qū)與非晶區(qū)形成的雙電荷層可顯著強(qiáng)化電荷捕獲與存儲能力，為生物基摩擦電材料的性能突破提供新路徑。Chong等采用鐵磁流體作為摩擦層，結(jié)合底部磁鐵的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的可控性調(diào)整，通過界面調(diào)控解決高靈敏與寬量程的固有矛盾，為多場景適配奠定材料基礎(chǔ)。

當(dāng)材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化深度融合時(shí)，摩擦電傳感器的性能邊界不斷被突破，推動(dòng)其從實(shí)驗(yàn)階段走向多領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。

Gao等通過梯度凝膠材料設(shè)計(jì)，將分層式表面結(jié)構(gòu)與梯度介質(zhì)層復(fù)合，構(gòu)建“感知—緩沖”一體化結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域的穩(wěn)定脈搏監(jiān)測。Zhang等提出不對稱的多級微錐結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)靈敏度與量程的協(xié)同優(yōu)化，又提升了材料的檢測下限與環(huán)境適應(yīng)性。這些研究共同揭示，摩擦電傳感材料的創(chuàng)新正朝著“高靈敏兼顧寬量程”的方向發(fā)展，核心突破集中在功能材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、復(fù)合體系的協(xié)同調(diào)控，為傳感技術(shù)的多領(lǐng)域普及提供關(guān)鍵支撐。

3.2 器件與系統(tǒng)的集成

摩擦電傳感技術(shù)的迭代升級正推動(dòng)器件從單一信號采集功能向多功能集成的智能終端轉(zhuǎn)型，核心動(dòng)力源于器件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)的深度融合。

Zhou等將摩擦電傳感單元與紅外傳感單元、藍(lán)牙傳輸模塊集成，成功實(shí)現(xiàn)對座位壓力的智能識別。Xie等構(gòu)建眨眼與心率信號雙模感知體系，有效提升疲勞駕駛狀態(tài)的識別精準(zhǔn)度。這些研究“硬件集成+算法嵌入”的一體化思路，為未來更復(fù)雜的任務(wù)場景提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化與跨領(lǐng)域技術(shù)融合進(jìn)一步拓展智能終端應(yīng)用邊界，讓摩擦電器件從單一場景適配邁向全場景兼容。

Tao等將摩擦電傳感系統(tǒng)與深度學(xué)習(xí)結(jié)合，提供實(shí)時(shí)健身監(jiān)測和即時(shí)反饋，以促進(jìn)用戶姿勢的持續(xù)調(diào)整。Lei等開發(fā)基于摩擦電觸覺傳感器與有機(jī)突觸晶體管的觸覺近傳感計(jì)算單元，改性后明膠介質(zhì)提升環(huán)境穩(wěn)定性，可高效識別單雙擊、長按等人機(jī)交互動(dòng)作，避免誤觸發(fā)。

3.3 自驅(qū)動(dòng)傳感的應(yīng)用場景

隨著性能提升，TENG自驅(qū)動(dòng)傳感的應(yīng)用邊界在2025年被大幅拓寬，已不再局限于可穿戴健康監(jiān)測的單一場景，而是沿著“單一可穿戴測試—紋理識別—非接觸感知”的技術(shù)路徑，逐步拓展為跨領(lǐng)域、多維度的智能感知能力。在生物信號感知領(lǐng)域，可穿戴傳感作為典型應(yīng)用，依托高靈敏摩擦電傳感材料實(shí)現(xiàn)人體脈搏、肢體運(yùn)動(dòng)等微弱生理信號的穩(wěn)定采集，為健康監(jiān)測提供核心技術(shù)支撐，其核心優(yōu)勢在于無需額外供電即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號的實(shí)時(shí)捕捉（圖6（a））。

Hong等進(jìn)一步優(yōu)化傳感結(jié)構(gòu)，開發(fā)出兼具慢適應(yīng)與快適應(yīng)特性的人工突觸機(jī)械感受器陣列（圖6（b）），拓展了其在智能檢測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用場景。Li等構(gòu)建接觸?非接觸雙功能傳感系統(tǒng)（圖6（c）），徹底突破了傳統(tǒng)傳感器對物理接觸的依賴限制，將摩擦電傳感技術(shù)推向非接觸感知的新維度。

圖6 摩擦電壓力傳感器的應(yīng)用場景

總體而言，基于TENG的自驅(qū)動(dòng)傳感正實(shí)現(xiàn)從生物信號感知向多場景物質(zhì)識別與非接觸交互的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型，為跨領(lǐng)域智能感知提供了全新技術(shù)路徑，彰顯了摩擦電傳感的廣闊應(yīng)用潛力。

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藍(lán)色能源

海洋蘊(yùn)藏的波浪能、潮汐能、海流能等“藍(lán)色能源”具有能量密度高、可持續(xù)性強(qiáng)、時(shí)空分布廣等特征。TENG可利用微弱的機(jī)械振動(dòng)、波浪起伏或流場擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，具有結(jié)構(gòu)簡單、材料多樣、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TENG的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是提升其輸出性能與環(huán)境適應(yīng)力的重要路徑。Feng等設(shè)計(jì)了一種可有效利用低頻波浪能量的脈沖拱形雙層直流TENG（圖7（a）），通過拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為系統(tǒng)減少了工作阻力。Yang等提出了一種基于鐘擺力學(xué)的新型擺臂TENG，將波浪多向、不規(guī)則晃動(dòng)轉(zhuǎn)化為擺臂相對穩(wěn)定的單擺運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)其在真實(shí)海洋環(huán)境中的魯棒性和穩(wěn)定性。Zhang等開發(fā)設(shè)計(jì)了一種無葉片式TENG（圖7（b）），實(shí)現(xiàn)低流速下啟動(dòng)，為利用中國海域廣泛存在的低速海流能提供了新思路。Sun等則設(shè)計(jì)了一種仿海帶結(jié)構(gòu)式TENG，為波浪能利用提供了種新穎的仿生學(xué)思路。

轉(zhuǎn)盤式TENG利用浮體的俯仰、升沉或扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極滑動(dòng)，從而提升單位時(shí)間接觸次數(shù)與輸出電流。Tuo等設(shè)計(jì)了一種基于幾何推力放大器的TENG，通過引入幾何增益原理提高了全譜波浪能量的轉(zhuǎn)換效率。Li等采用行星齒輪作為頻率提升機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了一種機(jī)械倍頻TENG（圖7（c）），從而有效提升對波浪能的利用能力。

液固式TENG利用液體與固體界面之間的周期性接觸–分離實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，具有無機(jī)械磨損、耐腐蝕和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。Huang等研制了一種管基耦合電極對液?固摩擦電納米發(fā)電機(jī)，擴(kuò)大了固體和液體材料之間的界面接觸面積，從而顯著增強(qiáng)了單次接觸分離過程中的電荷轉(zhuǎn)移量和最終輸出。Wang等則研制了一種液?膜TENG，提高了固?液納米發(fā)電機(jī)在低頻激勵(lì)下的性能，其產(chǎn)生的電能可以用于陰極保護(hù)，加強(qiáng)對于海洋結(jié)構(gòu)物中金屬的腐蝕保護(hù)。

針對波浪能來向的隨機(jī)性、多變性，其方向適應(yīng)性問題受到更多研究者的重視。Kumbhakar等提出了一種輕量化和可擴(kuò)展發(fā)電構(gòu)型，能夠捕獲不同頻率、振幅和方向運(yùn)動(dòng)的波浪能。Chen等研制了一種面向全向波浪能利用的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)折紙式TENG，可在有限空間內(nèi)提升能量密度，并分散沖擊載荷、降低機(jī)械磨損。Dai等設(shè)計(jì)了一種振蕩浮子型TENG（圖7（d）），更好地捕獲多向的海浪能量。Xi等將以滾動(dòng)式TENG供電的小型浮標(biāo)陣列應(yīng)用于近海環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，展示了波浪能自供電的分布式感知作為未來海洋物聯(lián)網(wǎng)解決方案的巨大潛力。

圖7 藍(lán)色能源TENG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)展

4.2 材料優(yōu)化及智能控制

材料優(yōu)化是提升TENG裝置輸出性能的重要方面。TENG的能量輸出與材料表面摩擦電荷密度密切相關(guān)，而表面化學(xué)組成、微納結(jié)構(gòu)形貌以及界面潤濕性對電荷轉(zhuǎn)移效率起關(guān)鍵作用。

Lee等用親水性和疏水性官能團(tuán)修飾了從海洋植物中提取的球等鞭金藻粒子納米材料。隨后以靜電紡絲法將該功能化材料與聚合物復(fù)合，制備成連續(xù)的納米纖維膜。用這些納米纖維膜作為摩擦層制成的TENG 裝置，在藍(lán)色能量收集應(yīng)用中性能顯著增強(qiáng)。Wang等采用難碳化的雙向拉伸聚丙烯薄膜和易蒸發(fā)的背電極制備了具有高抗擊穿性能的自恢復(fù)型TENG。該工作是高性能TENG在抗擊穿方面的重要進(jìn)展，使其能夠長時(shí)間、穩(wěn)定地利用藍(lán)色能源。

基于仿真和基于數(shù)據(jù)的智能控制研究也變得至關(guān)重要。Su等設(shè)計(jì)了一種新型圓柱形顆粒基TENG，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化浮體設(shè)計(jì)。采用ANSYS AQWA軟件對浮體模型進(jìn)行流體力學(xué)分析，驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。Li等提出了針對變波方向的定向調(diào)整策略并設(shè)計(jì)了一種蝴蝶堆疊式TENG。確保其上的所有的新型蝶形堆疊TENG器件以最佳迎浪方向高效運(yùn)行。Mao等提出了一種自供電的人工智能增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)（SAMS），該工作為復(fù)雜海洋環(huán)境下的實(shí)時(shí)能量收集與狀態(tài)監(jiān)測提供了新的解決方案。

未來，隨著TENG結(jié)構(gòu)、材料與控制創(chuàng)新的不斷推動(dòng)，其有望成為分布式、自供電的海洋物聯(lián)網(wǎng)和可持續(xù)藍(lán)色能源系統(tǒng)的重要技術(shù)。

5

智能可穿戴

TENG不僅能高效地將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其多功能性更是關(guān)鍵優(yōu)勢，可與電池、電容器、傳感器等設(shè)備集成，為自供電智能系統(tǒng)提供了可能。

5.1 可穿戴 TENG的核心材料創(chuàng)新

在摩擦層材料設(shè)計(jì)中，多功能復(fù)合材料成為主流。Shi等提出織物基集成TENG采用水性聚氨酯（WPU）作為防水封裝層和摩擦層，聚吡咯（PPy）作為導(dǎo)電摩擦層，結(jié)合3D機(jī)織織物結(jié)構(gòu)，提升弱信號檢測靈敏度。

阻燃材料的引入拓展了可穿戴TENG的應(yīng)用場景，Panda等綜述了聚合物、生物材料、氣凝膠等阻燃體系，為高溫或易燃環(huán)境下的可穿戴應(yīng)用提供安全保障。

由于TENG的自供電可穿戴傳感器代表了這一趨勢的創(chuàng)新解決方案，但柔性TENG的輸出性能仍然不理想。Jia等制備了條帶匹配的鈦酸鈣（CaTiO3）和氧化鋅（ZnO）納米結(jié)構(gòu)，TENG的輸出電壓和電流密度都得到了顯著提高，作為可穿戴傳感器，并實(shí)現(xiàn)自供電的人體傳感，特別是在步態(tài)識別中，用于預(yù)防運(yùn)動(dòng)相關(guān)疾病和損傷康復(fù)。

Zhao等利用可逆分子間作用力與動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵設(shè)計(jì)，制備了可完全回收的多功能智能水凝膠傳感器（RMSHS），實(shí)現(xiàn)了其在智能醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練（如手勢識別與遠(yuǎn)程診斷）、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程人機(jī)交互（如無人機(jī)操控），以及作為綠色電極材料構(gòu)建可持續(xù)TENG等方面的多功能應(yīng)用。Niranjana等報(bào)告了一種具有催化劑擴(kuò)散效應(yīng)的導(dǎo)電液態(tài)金屬?硅膠（LMS）油墨，并結(jié)合嵌入式3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了“一步制造”和“一體化集成”，它為實(shí)現(xiàn)可拉伸導(dǎo)體、高性能柔性傳感器，以及與感知能力一體化的智能軟體機(jī)器人的簡易、快速制備，提供一條全新的技術(shù)途徑。

5.2 可穿戴TENG的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

無間隔紗線3D?X形織物、中空錠花式加捻技術(shù)制備的3D蜂窩結(jié)構(gòu)織物等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了TENG的透氣性和力學(xué)穩(wěn)定性（圖8（a））。

TENG作為一種能量輸出裝置，極大促進(jìn)了可穿戴電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是在能量收集和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方面。Qiu等提供了一種聚四氟乙烯（PTFE）納米纖維紗線為基礎(chǔ)的TENGs。制備的納米纖維紗線具有核殼結(jié)構(gòu)，聚四氟乙烯/石墨烯納米纖維形成摩擦殼層，銅線作為導(dǎo)電芯層。當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，得到的機(jī)織物（GW?TENG?2）綜合性能最佳（圖8（b））。

Chen等利用摩擦納米發(fā)電自供電技術(shù)，巧妙利用高速螺旋編織技術(shù)的仿生雙螺旋結(jié)構(gòu)，制備了超拉伸能量收集紗線（DHBY?TENG），呈現(xiàn)了該紗線作為自供電傳感器監(jiān)測人體康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作、嬰兒活動(dòng)，以及作為自供電燈繩控制開關(guān)等，同時(shí)可將紗線編織入織物中實(shí)現(xiàn)機(jī)械能收集并點(diǎn)亮多個(gè)LED燈（圖8）。該研究巧妙利用成熟的高速編織技術(shù)，使“結(jié)構(gòu)本身”產(chǎn)生了超彈性和自接觸發(fā)電能力。

圖8 織物基TENG的制備

5.3 可穿戴TENG的應(yīng)用

生理信號監(jiān)測是可穿戴TENG最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。Wang等制備了一種基于熱塑性聚氨酯（TPU）和碳化木氣凝膠（CWA）的多功能導(dǎo)電氣凝膠。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使電荷能夠分散在整個(gè)材料中，便于電荷轉(zhuǎn)移，從而提高了輸出性能。

由于在TENG中實(shí)現(xiàn)超高電流密度和耐水性仍然具有挑戰(zhàn)性，Sun等提出連接摩擦電材料的電子云勢阱（ECPWs）可以導(dǎo)致輸出電流的大幅增加。這項(xiàng)工作為制造具有超高輸出電流和水阻的TENG提供了一種新穎而有前途的策略，極大地?cái)U(kuò)展了其在許多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

6

接觸電致催化（CEC）

2025年以來，研究者通過對CEC反應(yīng)機(jī)制的不斷深入認(rèn)識、催化劑結(jié)構(gòu)與材料體系的優(yōu)化以及CEC的應(yīng)用拓展，展示了CEC在催化領(lǐng)域的作用和潛力。

6.1 CEC反應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識深化

接觸起電（CE）作為自然界無處不在的物理現(xiàn)象，其深層機(jī)制正被科研界持續(xù)破解。2025年CEC的反應(yīng)機(jī)制得到進(jìn)一步的深入研究。

• 一是對引發(fā)CEC過程中涉及的活化電子進(jìn)行了定量分析，深入了解了CE向CEC的轉(zhuǎn)變過程；

• 二是系統(tǒng)地證明了CEC中的氧化還原選擇性受反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)電極電位（SEP）的控制，存在一個(gè)清晰的閾值區(qū)分氧化和還原途徑。

6.2 催化劑結(jié)構(gòu)與材料體系的優(yōu)化

從材料演進(jìn)看，2025年的CEC已從通用含氟聚合物（如聚四氟乙烯（PTFE）、全氟乙烯?丙烯共聚物（FEP））轉(zhuǎn)向可按應(yīng)用定制的結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)，實(shí)現(xiàn)由“通用型”向“應(yīng)用場景化”的跨越。在具體策略上，圍繞“起電與跨界面電子轉(zhuǎn)移”這一主線，TENG的可遷移思路尤為有效：FDTES修飾SiO2能在水相構(gòu)建高電荷密度界面、顯著提升能量收集，用于CEC可使甲基橙降解的表觀速率常數(shù)較未修飾Si提升約29倍（圖9（a））。除表面化學(xué)調(diào)控外，PTFE/FEP駐極充電已被證明可加速水–聚合物界面電子注入與·OH生成。另一方面，半導(dǎo)體–液體因功函數(shù)/能帶差形成類肖特基結(jié)；在機(jī)械擾動(dòng)下，硅–水界面的動(dòng)態(tài)勢壘可驅(qū)動(dòng)周期性電荷轉(zhuǎn)移，觸發(fā)并放大界面催化反應(yīng)。

6.3 CEC應(yīng)用拓展與多場協(xié)同策略

在化學(xué)合成方面，界面電場與活性氧途徑支撐了雙氧水綠色合成和氣體小分子轉(zhuǎn)化等低能耗策略；在環(huán)境與資源方面，CEC通過界面電子轉(zhuǎn)移與ROS作用實(shí)現(xiàn)貴金屬高效回收、抗生素深度降解與無化學(xué)劑的細(xì)菌滅活；在生物醫(yī)學(xué)方面，CEC療法被提出并不斷發(fā)展（圖9（b））。

圖9 2025年CEC的催化劑發(fā)展和應(yīng)用拓展

2025年，CEC的多場協(xié)同策略開始被重點(diǎn)研究，通過整合接觸電與其他能量場的優(yōu)勢，顯著提升催化效率與反應(yīng)適用性。激發(fā)方式已由單一超聲擴(kuò)展至球磨、攪拌及多模式并行，大幅拓寬適用邊界。多場協(xié)同通過放大活性物種生成、強(qiáng)化電荷分離與質(zhì)/能傳遞顯著增效。

總體來看，CEC正在“機(jī)理、材料、應(yīng)用和多場協(xié)同”四維度耦合推進(jìn)。然而仍有3類關(guān)鍵問題有待解決：

• 一是基礎(chǔ)層面對動(dòng)態(tài)條件（如聲空化）下的原位界面過程認(rèn)知不足，需依托原位表征厘清反應(yīng)本質(zhì)；

• 二是設(shè)計(jì)層面現(xiàn)有催化劑選擇性仍弱，亟需面向目標(biāo)產(chǎn)物的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)定制；

• 三是應(yīng)用層面應(yīng)由“二元耦合”邁向“多元耦合”和“場景適配優(yōu)化”。

7

工程應(yīng)用

2025年TENG在工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著成效，在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用示范。

1）在海洋藍(lán)色能源應(yīng)用方向，浮標(biāo)型TENG項(xiàng)目在功率性能方面實(shí)現(xiàn)跨越式提升。2025年王中林院士團(tuán)隊(duì)持續(xù)推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)，成功研制并完成世界首臺最大單體TENG（1 m3）的海上測試。

2）在環(huán)保領(lǐng)域，CEC技術(shù)助力鋰電池電極材料回收。這可用于工業(yè)化回收各類鋰離子電池正極材料，為儲能材料的回收再生提供新的方法。

3）在低空飛行傳感領(lǐng)域，基于TENG技術(shù)的智能流體力學(xué)能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛行器實(shí)飛驗(yàn)證。開發(fā)了前端自驅(qū)動(dòng)航空器表面流態(tài)原位感知系統(tǒng)，創(chuàng)新耦合TENG與壓電發(fā)電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原位自驅(qū)動(dòng)感知飛行器表面湍流流態(tài)。

4）在管道流體自驅(qū)動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域，系列自驅(qū)動(dòng)智能水表在自來水公司開展示范應(yīng)用。利用TENG俘獲管道流體能量實(shí)現(xiàn)自供電，并利用TENG傳感特性對流體流量進(jìn)行計(jì)量，最終實(shí)現(xiàn)了對管道流體的自供電智能監(jiān)測?；诒卷?xiàng)目研制的系列產(chǎn)品，可從根本上解決智慧水務(wù)系統(tǒng)中“最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)”——傳感器穩(wěn)定供電問題，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)傳感，保障數(shù)據(jù)底座的堅(jiān)實(shí)性，讓智慧水務(wù)真正“智慧”。

5）在智能電網(wǎng)傳感領(lǐng)域，自驅(qū)動(dòng)電力智能傳感器實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)應(yīng)用。面向輸電線路風(fēng)致振動(dòng)寬頻、低幅、無序等特點(diǎn)，利用TENG高效收集輸電線路風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生的能量并轉(zhuǎn)化為電能，構(gòu)建輸電線路分布式自驅(qū)動(dòng)電力智能傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對架空輸電線路如溫度、振動(dòng)、舞動(dòng)、覆冰等狀態(tài)參數(shù)的無源在線智能運(yùn)檢。該項(xiàng)成果可有效降低輸電線路傳感終端的建設(shè)和維護(hù)成本，大規(guī)模應(yīng)用對智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

8

結(jié)論

我們系統(tǒng)回顧了2025年TENG技術(shù)的前沿發(fā)展，著重聚焦于TENG的性能優(yōu)化以及TENG在微納能源、自驅(qū)動(dòng)傳感、藍(lán)色能源、可穿戴電子和CEC等領(lǐng)域關(guān)鍵方向。相關(guān)研究在多個(gè)方面取得了突破性進(jìn)展，有效提升了TENG的電性能與穩(wěn)定性，并在海洋藍(lán)色能源、環(huán)保領(lǐng)域、低空飛行傳感領(lǐng)域、管道流體自驅(qū)動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域和智能電網(wǎng)傳感領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用示范。然而，TENG在得到大規(guī)模應(yīng)用之前，仍有幾個(gè)關(guān)鍵問題需要解決：

• 首先是TENG的性能需要進(jìn)一步提升，特別是TENG的能量轉(zhuǎn)換效率與壽命，以實(shí)現(xiàn)通過TENG收集環(huán)境的能量完全滿足自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，這需要結(jié)合材料創(chuàng)新與器件設(shè)計(jì)來共同完成；

• 其次是TENG批量制備技術(shù)需要突破，以滿足規(guī)?；瘧?yīng)用的需求；

• 最后是標(biāo)準(zhǔn)的制定，TENG從實(shí)驗(yàn)室走向市場的過程中，建立TENG的標(biāo)準(zhǔn)化評估體系尤為重要。

伴隨著TENG技術(shù)在各個(gè)方面的持續(xù)推進(jìn)，TENG技術(shù)必將邁向一個(gè)嶄新的臺階，2025年的研究成果為TENG的規(guī)?；瘧?yīng)用于跨領(lǐng)域拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

本文作者：王杰、奚伊、郭恒宇、文震、徐敏義、陳超余、范鳳茹、程廷海、翟俊宜、王中林

作者簡介：王杰，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，研究員，研究方向?yàn)槟Σ良{米發(fā)電機(jī)的性能優(yōu)化與應(yīng)用；王中林（通信作者），中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，研究員，中國科學(xué)院外籍院士，研究方向?yàn)槟Σ良{米發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論與壓電（光）電子學(xué)。

文章來 源 ： 王杰, 奚伊, 郭恒宇, 等. 2025年摩擦納米發(fā)電機(jī)熱點(diǎn)回眸[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(1): 43?60 .

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