随着便携式可穿戴设备、智能机器人和物联网技术的快速发展，低功耗触觉感知系统的需求日益增长。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的机械能收集技术，在自驱动触觉传感方面展现出巨大潜力。表面微结构工程（如引入阵列或图案）是提升TENG有效接触面积和输出性能的关键因素。然而，传统TENG的输出性能通常受限于静态的表面结构设计，这种固定的接触界面限制了其根据外部机械刺激需求进行自适应调整的能力，从而在一定程度上制约了接触界面的动态调控。

近日，青岛大学王凤云教授和王晓雄教授团队在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“A ‘Magic Angle’ TENG: Integrating rotational modulation and high-performance tactile sensing via patterned nanofibers”。研究者受植物叶脉天然拓扑结构的启发，通过一步模板辅助静电纺丝技术，在摩擦层表面构建了菱形图案化阵列。当两个具有周期性阵列结构的摩擦层相互叠加时，结构间的空间干涉与失配便会产生宏观的莫尔条纹。通过将两个图案化摩擦层旋转至预设角度（0°、45°和90°），能够有效调节莫尔条纹的周期和分布，使得接触界面的几何构型发生显著变化，进而改变界面的有效接触面积，从而实现了对电学输出性能的动态调控。这项工作引入的基于莫尔条纹的角度控制策略，为下一代TENG可调节接触界面的设计确立了新范式。

此外，在能量收集方面，制备的图案化摩擦纳米发电机（P-TENG）展现出良好的性能。其电学输出表现主要归因于仿生微结构与莫尔条纹调制效应的协同作用，以及复合纳米纤维膜（P-NFM）内连续导电网络结构的形成。同时，图案化阵列结构发挥了阻尼缓冲作用，有效降低了局部应力集中。得益于此，P-TENG在历经3000次接触-分离循环测试后依然能够保持稳定的电信号输出，体现出较高的机械稳定性和耐久性。凭借这种动态可调的界面特性，该P-TENG器件在智能交互控制、自驱动便携式可穿戴传感器以及物联网低功耗设备等领域具有广阔的潜在应用前景。

图1：P-TENG的制备过程及应用前景。

研究团队利用模板辅助静电纺丝技术制备了具有仿生叶脉结构的图案化复合纳米纤维膜（P-NFM）作为负摩擦层，并组装了接触-分离模式的P-TENG器件。该复合摩擦层由PVDF、PAN和多壁碳纳米管（MWCNTs）共同构成，其中PAN的加入增强了薄膜的机械强度与韧性，MWCNTs则促进了电活性相的生成。在静电纺丝过程中，PVDF在强电场作用下由无序的α相转变为高度有序的极性β相，为极化电荷的定向迁移提供了低阻力通道。此外，通过图案化界面间的相对旋转，能够产生基于莫尔条纹机制的结构失配，从而实现了接触界面几何构型的连续演变与电学输出的角度可调控。

图2：图案化纳米纤维膜的结构表征。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，P-NFM纤维优先沿着模板的凸起网格线沉积，成功构建了菱形阵列结构，显著增加了有效比表面积。此外，XRD与FTIR表征共同证实，静电纺丝过程及MWCNTs的引入有效促进了PVDF向极性β相的转变；XPS图谱则进一步验证了复合纤维体系中各元素的化学状态及组分间的良好相容性。

图3：基于莫尔效应的动态调制。

图3展示了图案化摩擦层在0°、45°和90°相对旋转角度下，接触界面的几何构型和对应的模拟接触图像。为了阐明旋转调制策略的工作机制，研究团队引入了基于MATLAB的数值离散化方法，通过旋转矩阵变换量化了不同角度下的有效接触面积，并结合COMSOL多物理场仿真揭示了电势分布的动态演变过程。计算与实验数据表明，当相对旋转角度为45°时，两层之间的结构不对称性和失配度达到最大，理论有效接触面积降至最低。受此界面几何构型变化的影响，器件的实测输出电压也同步降至波谷。这一结果从理论模拟与实验验证双重层面，直观地证实了莫尔条纹对有效接触面积的调制作用，并充分证明了其对器件电学输出性能进行精确、动态调控的能力。

图4：P-TENG在手写识别和人体姿态监测中的应用。

凭借对外部压力的敏锐响应，P-TENG可作为高效的自供电传感器。在手写识别测试中，无论书写简单字母还是复杂单词，P-TENG都能产生稳定且重复性高的清晰电压信号。结合快速傅里叶变换（FFT）对信号频域特征进行分析，该传感系统能够捕捉并区分不同志愿者书写同一字母时的力度与习惯差异，从而实现个性化的生物特征识别。此外，在人体运动姿态监测方面，将P-TENG贴附于人体关节处时，能够实时反映手腕和膝关节不同弯曲角度的变化；当其集成到鞋垫中时，则能清晰识别并记录行走、跑步、跳跃等多样化的步态与运动模式。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111772

人物简介：

王凤云，青岛大学教授，硕士生导师，山东省优秀青年基金获得者。2012年获香港城市大学博士学位。长期致力于低维功能纳米材料（金属氧化物、钙钛矿、MXenes、复合材料等）的设计、制备，及其在光电器件、高性能晶体管、人工突触和摩擦纳米发电机等领域的应用与机理研究。以第一/通讯作者在 Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano 等国际著名期刊发表SCI论文73篇，总被引3000余次，授权发明专利7项，参编英文学术专著1部。研究成果获国内外多位知名院士的高度评价。先后主持国家及省部级科研项目7项；获山东省自然科学二等奖、青岛市自然科学二等奖（首位）及青岛市青年科技奖。兼任山东省硅酸盐学会理事及20余个国际主流学术期刊审稿人。

王晓雄，青岛大学教授。2010年毕业于山东大学物理学基地班，2016年毕业于中国科学技术大学，获凝聚态物理博士学位，2019年就职于青岛大学物理科学学院。主要从事自支撑柔性压电材料研究。近年来主持国家自然科学基金、中国科协项目、教育部产学研项目、生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室自主课题及青岛市博士后应用研究项目等，在Nature Communications、Nano Energy、ACS Nano、Progress in Materials Science 等杂志以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文40余篇，其中包括IF＞10的论文十余篇，被引次数超过3000次，h-因子34，授权国家发明专利10余项。