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  隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，其應(yīng)用將遍及日常生活的各個角落，如辦公和家庭自動化、醫(yī)療保健、安全保障、環(huán)境監(jiān)測以及信息通信等。體育領(lǐng)域同樣也受到了這一技術(shù)進(jìn)步的影響，進(jìn)入到數(shù)字化競賽時代。大數(shù)據(jù)服務(wù)，包括比賽成績、運(yùn)動員訓(xùn)練表現(xiàn)、健康生理指標(biāo)等數(shù)據(jù)的采集和分析，可以有效地幫助運(yùn)動員進(jìn)行科學(xué)訓(xùn)練從而提高競技水平，正在成為競技體育不可或缺的有效手段。實(shí)時數(shù)據(jù)的采集依賴于廣泛分布的傳感器，而傳統(tǒng)的供能器件面臨著壽命短、維護(hù)成本高、環(huán)境污染等問題，發(fā)展出一種可持續(xù)、免維護(hù)的傳感技術(shù)具有重要的意義。 

  王中林院士于2012年提出的以麥克斯韋位移電流第二分量為理論根基的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）為解決這個問題提供了新的思路。TENG能有效地將環(huán)境機(jī)械能和人體運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在微納能源、藍(lán)色能源以及主動式傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通過集成能量存儲器件，基于TENG的自充電能量系統(tǒng)可以為電子器件提供持續(xù)的電能供給。另外，TENG還可以直接將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電信號，用作自驅(qū)動傳感器。 

  目前，用于制備TENG的材料大多是不可降解的有機(jī)聚合物，如用于自驅(qū)動傳感器在環(huán)境中廣發(fā)分布，可能會引起環(huán)境污染等問題。天然木材是地球上最豐富的自然資源之一，作為一種可再生、可持續(xù)、可降解的材料，已經(jīng)被廣泛用于建筑、能量存儲、水凈化和柔性電子等領(lǐng)域。然而，天然木材的機(jī)械性能和摩擦發(fā)電性能通常不能很好地滿足TENG的性能要求。因此，開發(fā)一種有效的處理方法來調(diào)節(jié)天然木材的性能，并用于制備高性能的TENG，對于發(fā)展可持續(xù)和環(huán)境友好的自驅(qū)動系統(tǒng)具有重要的意義。 

  近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士課題組聯(lián)合普渡大學(xué)的范鳳茹博士,報道了一種具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦納米發(fā)電機(jī)（W-TENG）。經(jīng)過簡單有效的木材處理方法，木材的摩擦發(fā)電性能和機(jī)械性能（包括強(qiáng)度、柔韌性、耐磨性和可加工性能等）都大幅提高。用改性木材制備得到的W-TENG，其輸出性能也提升了~70%。同時，這種W-TENG還擁有質(zhì)量輕（0.19 g）、結(jié)構(gòu)薄（0.15 mm）、價格低等優(yōu)點(diǎn)。基于上述優(yōu)良的性能，這種W-TENG還被用作自驅(qū)動傳感器構(gòu)建具有多種傳感功能的智能乒乓球臺，利用乒乓球撞擊球臺產(chǎn)生的機(jī)械能設(shè)計(jì)了一種自驅(qū)動落點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)和插邊球判定系統(tǒng)。該自驅(qū)動系統(tǒng)可同時實(shí)現(xiàn)乒乓球的速度傳感、路徑追蹤和落點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)，記錄的完整數(shù)據(jù)可用于大數(shù)據(jù)分析，給運(yùn)動員的訓(xùn)練提供有效的評估和指導(dǎo)；而且還能準(zhǔn)確的判定兩種不同的擦邊球，可以輔助裁判員在比賽中做出準(zhǔn)確的判罰。這項(xiàng)研究拓展了自驅(qū)動系統(tǒng)在智能體育設(shè)備和體育大數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，開辟了木基電子器件與自驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合的創(chuàng)新研究方向。該研究可以延伸到多種體育運(yùn)動，例如跳遠(yuǎn)，籃球，羽毛球，網(wǎng)球，排球等多項(xiàng)體育運(yùn)動的智能分析。 

圖1 柔性W-TENG的制備流程和智能乒乓球臺的示意圖

圖2 天然木材在處理前后的變化

圖3 W-TENG的工作原理和輸出性能

圖4 W-TENG用于自驅(qū)動落點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

圖5 W-TENG用于自驅(qū)動擦邊球判定系統(tǒng)

  該成果以“Flexible and durable wood based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing in athletic big data analytics”為題，發(fā)表在近期的《自然-通訊》上（Nature Communications）。該文章的第一作者為駱健俊博士、王子銘博士生、許亮副研究員，普渡大學(xué)范鳳茹博士和北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。 

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13166-6