随着人们生活水平的不断提高，人们对各种可穿戴电子设备的需求也在迅速增加。传统的以电池为基础的可穿戴电子设备由于电池容量有限而存在严重的电池使用时间问题，特别是对长期从事户外工作的人员存在较大的安全隐患。与此同时，人体在运动过程中可以产生丰富的生物机械能为可穿戴电子设备的持续供电提供了重要基础。然而，由于人体低频运动特性和相对有效的承载能力，使得电磁发电机难以有效地应用于人体机械能的收集。因此，开发高效、低频、轻量化的生物机械能量收集技术，将对人体自供电的可穿戴电子设备的发展具有至关重要的影响。

近日，北京交通大学李修函教授&张楚国副教授团队在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“High-output triboelectric nanogenerator based on L-cystine/nylon composite nanofiber for human bio-mechanical energy harvesting”。北京交通大学电子信息工程学院郝逸君博士为本文的第一作者，北京交通大学电子信息工程学院张楚国副教授&李修函教授为本文通讯作者。团队通过静电纺丝工艺开发具有更高正摩擦电性能、轻质、柔性的尼龙/L-胱氨酸复合纳米纤维膜（NCNF）来获取人体生物机械能设计了一种高输出多层结构摩擦纳米发电机（HM-TENG）。

图1：HM-TENG的结构设计及工作原理。

L-胱氨酸作为一种氨基酸衍生物不仅能够提供氨基酸特有的官能团，同时所具有二硫键也可以为摩擦起电过程起到很大的正向支持。通过优化制备过程细节，在接触-分离频率和压力分别为2Hz，10N的条件下，由8wt% L-胱氨酸制备的3*3cm的NCNF作为F-TENG（一对正负摩擦材料自供电设备，HM-TENG则为多对正负摩擦材料在垂直方向上的集成）的正摩擦材料（商用FEP薄膜作为负摩擦材料）可以获得325V的开路电压、48μA的短路电流和168nC的转移电荷量，分别为2.98，5.33和3.41倍于由纯尼龙纳米纤维膜制备的TENG。

图2：NCNF的制备和表征。

图3：NCNF作为正摩擦材料的F-TENG的电学特性。

此外，该研究进而提出HM-TENG的结构，在接触-分离频率和压力分别为2Hz，10N的条件下可以获得1080V的开路电压、268μA的短路电流和1187nC的转移电荷量。与之前报道的一些关于使用纳米纤维薄膜作为摩擦材料的TENG工作相比，所制备的HM-TENG的功率密度提高了5-500倍，这得益于NCNF优异的正摩擦电性能。

图4：含有8wt% L-胱氨酸的NCNF作为正摩擦材料的HM-TENG的电学输出特性。

同时，由于HM-TENG的性能优化，通过设计的电源管理电路、安装在脚上的HM-TENG以及相应的储能器构造的自供电系统，成功地演示并实现自供电可穿戴电子设备，包括自供电温湿度计、自供电计步器和自供电运动手表。这些自供电可穿戴设备可以通过HM-TENG获取生物机械能并转化为的电能驱动。因此，这项研究展示了一种可广泛获取生物机械能，并可持续驱动各种商用移动设备、作为可穿戴电子设备电源的动力装置，也将为未来的自驱动可穿戴设备的设计提供重要的技术支撑。

图5：HM-TENG的应用。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523008017

人物简介：

李修函，北京交通大学电子信息工程学院教授，博士生导师。2006年7月于北京大学微电子学研究院获博士学位并加入北京交通大学电子信息工程学院工作,主要研究方向为微纳器件与能量采集、植入式生物医学微器件及无线能量传输系统，主持和参与多项科技部、国家自然科学基金项目，在AEM,ACS Nano、Nano Energy等国家期刊发表了30多篇SCI论文，授权发明专利6项。

张楚国：北京交通大学副教授，同时入选北京交通大学青年英才培育计划和中国博士后创新人才支持计划。2022年6月博士毕业于中国科学院北京纳米能源与系统研究所，导师为王杰研究员。主要开展物联网系统中无源节点系统的设计与研究，包括高性能自供电传感器的设计与应用、微纳和蓝色能源收集器件设计和摩擦纳米发电机的性能优化。近几年主持/参与了包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后基金等在内的多项科研项目，共发表SCI论文28篇，其中以第一作者/通讯作者/共同第一作者Joule, EES, AEM, ACS Energy Lett, AFMa, ACS nano，Nano Energy，Small，One Earth，JMCA等国际顶级期刊发表SCI论文21篇，累计影响因子362.2，平均影响因子17.25；授权中国发明专利4项。发表论文总引用超1000次，Google学术的H因子为17。