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  在人機交互領域，非接觸摩擦納米發電機傳感器已經被作為有效的接近感知工具。然而，表面電荷密度迅速衰減和電學輸出性能差，仍是亟待突破的難題。尤其是限制了基于數據一致性的非接觸人機交互應用。

  針對上述挑戰，濟南大學王鵬博士，浙江理工大學孟垂舟教授,河北工業大學劉騰教授近日聯合在 Nano Energy上發表題為“Multi-layer charge dynamic balance noncontact triboelectric nanogenerators with surface spiral structure prepared by ink direct writing for a robotic motion following system”的研究成果，論文第一作者為河北工業大學段景樂博士。

  受圓形雷達與螺旋天線的啟發，團隊開發出一種由墨水直寫機直接制備的表面螺旋結構非接觸傳感器，最遠檢測距離可達5.5 m。同時設計制備了一體化多層（電荷產生層、電荷束縛層、電荷阻擋層、電荷收集層）電荷動態平衡的策略，電荷穩定性能達到了150 h，實現了非接觸一維、二維運動跟隨系統，為開發先進的智能人機交互提供了全新思路。

  TENG高的表面電荷密度取決于它的內部材料的電荷產生，存儲，阻擋，傳輸的動態平衡。為提高表面電荷密度，研究團隊采用墨水直寫機技術，分別制備了基于高比表面積Co-NPC/Ecoflex（電荷產生層），高電負性MXene/Ecoflex（電荷束縛層），高介電常數CCTO/Ecoflex（電荷阻擋層）和高導電性Carbon black/Ecoflex（電荷收集層），通過集成這四層實現了一體化高性能非接觸傳感器的制備。同時，通過仿真和實驗驗證了具有表面螺旋結構的電荷產生層非接觸傳感器具有優異的非接觸感知性能。

圖 1：非接觸TENG傳感器的設計，制備和協同增強機制。（a）圖：墨水直寫機采用不同Ecoflex基復合墨水逐層制備非接觸TENG的示意圖；（b）圖：非接觸TENG設計的示意圖；表面螺旋結構非接觸TENG（大小 ~ 1 cm × 1 cm）的（c）俯視圖和（d）橫截面。工作機制：（e）PTFE與Ecofelx間無明顯的電荷偏移；（f）電荷產生層Co-NPC/Ecoflex產生的帶偏移；（g）電荷束縛層MXene/Ecoflex產生的帶偏移；（h）電荷阻擋層CCTO/Ecoflex產生的帶偏移銳增。（i）制備的輕量3 × 3傳感陣列貼片的光學圖片可被（j）扭曲, （k） 拉伸和（l）折疊。

圖 2：不同層關鍵組成成分的表征。SEM圖和XRD分析：（a）炭黑/Ecoflex，（b）CCTO/Ecoflex，（c）MXene/Ecoflex和（d）Co-NPC/Ecoflex。

圖 3：仿真和實驗優化摩擦納米發電機的表面微結構。（a）圖：表面方形循環結構和螺旋結構的COMSOL表面電勢仿真和光學圖片。（b）圖：不同表面螺旋結構的測量輸出電壓（大小 ~2.5 cm × 2.5 cm, 距離 ~1 cm）。（c）表面螺旋結構的邊緣場效應和靜電感應的協同感知面積。（d）相同面積下不同螺旋圈數螺旋壁間的距離。（e）不同螺旋數下非接觸TENG傳感器的輸出電壓。（f）表面螺旋結構在不同距離下COMSOL電勢分布仿真結果。（g）不同功能層的輸出電壓變化

圖 4：非接觸TENG的輸出性能評估。（a）圖：電暈放電原理的示意圖解釋。（b）接觸起電和電暈放電改善表面電勢的對比。（c）不同層表面電勢隨時間衰減的對比。（d）-（e）不同距離下的輸出電壓、電荷和電流。（g）不同濕度下的輸出電壓。不同負載下的（h）輸出電壓和電流和（i）功率。（j）電流增加管理電路。（k）大面積非接觸TENG點亮LED燈陣列。（l）對不同感知材料的輸出電壓。

圖 5：由非接觸TENG實現的非接觸機器運動跟隨證明。（a）圖：1D非接觸機器運動，跟隨的工作原理。（b）1D非接觸機器運動跟隨實驗的視頻截圖。（c）1D非接觸機器運動跟隨過程中產生的電壓與速度信號。（d）2D非接觸機器運動跟隨的工作原理。（e）2D非接觸機器運動跟隨實驗的視頻截圖。(f) 不同希臘字母形運動軌跡的示意圖。（g）實時收集不同希臘字母形運動軌跡的輸出電壓。（h）π形運動軌跡的輸出電壓信號。（i）用于識別不同運動軌跡的機器學習算法（卷積神經網絡）的流程圖。（j）機器學習結果的混淆矩陣。

  綜上所述，該工作的核心創新在于“表面螺旋結構+多層電荷動態平衡”的設計思路。通過模仿圓形雷達和螺旋天線的結構，由墨水直寫機制備了帶有表面螺旋結構的一體化多層非接觸TENG，實現了5.5 m的遠距離感知、長時間150 h的穩定性能。并通過電暈放電，電流增加管理電路提高了性能。該非接觸TENGs實現了1D/2D運動系統的實時跟隨，為3D的人機交互應用奠定了堅實的基礎，極大地豐富了人機交互的體驗。

作者介紹

王鵬：濟南大學機械工程學院教師，碩士生導師，校聘青年英才崗，研究方向為柔性傳感器，以第一作者/共同一作/通訊作者發表論文48篇 (包括28篇中科院一區Top期刊，5篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Materials Science、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累計撰寫、申請發明專利19項，其中9項已授權；擔任Exploration期刊青年編委；中國微米納米學會高級會員；受邀擔任國際SCI檢索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的審稿人；2025年獲得濟南市自然科學技術成果一等獎，連續兩年獲得2021年、2022年博士研究生國家獎學金，2022年獲得天津市創新獎學金，2023年獲得河北省優秀畢業生，2018年獲得天津市王克昌文化科技獎學金，2024年獲得河北工業大學優秀博士論文，2022年獲得河北工業大學學術之星，2022年獲得河北工業大學三好學生榮譽稱號，連續兩年獲得2021年、2022年河北工業大學機械工程學院十佳學術之星榮譽稱號。個人主頁：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

劉騰：河北工業大學機械工程學院教授，博士生導師，河北工業大學“元光學者”，河北省高等學校青年拔尖人才，河北工業大學智能康復裝置與檢測技術教育部工程研究中心綜合辦公室主任。2016年在中國天津大學獲得機械工程博士學位。參與獲得天津市科學技術進步一等獎1 項，發表高水平學術論文30余篇，申請發明專利13項。研究方向為彈性體結構的動力學建模、設計與控制技術及其在智能護理床和醫療機器人中的應用。

孟垂舟：浙江理工大學材料科學與工程學院特聘教授，博士生導師。國家海外高層次人才引進計劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯僑界專家委員會委員。清華大學物理學學士、博士學位，曾任職美國普渡大學生物醫學工程系博士后研究員、美國IBM半導體研發中心高級工程師、新奧集團能源研究院石墨烯/儲能/能源新材料等技術中心主任。長期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉換與存儲、生物醫學傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設備、和健康護理裝備上的應用開發。

  原文信息

  J. Duan, Y. Zhao, G. Yue, et al. “Dynamic Charge-Balanced Multi-Layer Noncontact Triboelectric Nanogenerator Sensors with Surface Spiral Micro-Structures for Intelligent Robotic Motion Following.”  (2026).

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111924