2012年，王中林院士團隊基于摩擦起電和靜電感應的機械能轉化技術，開創了摩擦納米發電機（Tribo Electric Nano Generator，TENG）的研究領域。其核心原理為：
在TENG 的內部電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差；在TENG 的外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。因此，在周期性機械外力作用下，兩個背電極間會有電流來回流動，從而將機械能轉化為電能。
參考文獻：Changsheng Wu, Aurelia C. Wang, Wenbo Ding, Hengyu Guo and Zhong LinWang*, Triboelectric Nanogenerator: A Foundation of the Energy for the New Era,Advanced Energy Materials, 2018.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201802906
從2012年至今，TENG飛速發展，輸出功率從幾微瓦提升至幾瓦，發展出了四種基本模式，應用領域涵蓋了無線物聯網傳感、可穿戴智能設備、植入式醫學應用到海洋能收集等。僅針對TENG的傳感應用，Peter Harrop在一份產業調研報告中指出，TENG傳感器將在2028年達到4.8億美元的產業規模[1]。目前已有40多個國家，幾十個研究機構，數千多名研究人員在從事TENG的研發和產業應用工作。
韓國三星綜合技術研究院發布了一項最新的研究報告《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》[2]，該報告指出：TENG能夠滿足小型可穿戴設備和便攜式電子設備的能耗需求（如下圖所示）。該研究院圍繞TENG在可穿戴智能設備中的應用開展了大量研發工作。
圖片來源：參考資料[2]
在此背景下，中科院北京納米能源與系統研究所的研究團隊和美國佐治亞理工學院的研究團隊率先開展了多項原創性的基于納米發電機的智能鞋的研究。
2016年9月，王中林院士領導的美國佐治亞理工學院的研究團隊利用硅橡膠構建了一種全柔性的納米發電機陣列，置于智能鞋底，將人體運動（例如步行或慢跑）轉化為電能，可以驅動LED發光陣列，電子手表和溫濕度計等電子設備。這種可穿戴電源通過TENG實現，電荷密度為250μCm-2。該TENG采取合理設計的螺旋帶接觸結構，具有柔性，可拉伸，可穿戴，重量輕，成本低和防水等特點。管狀TENG的對稱結構保證了從各種方向觸發的多種機械運動中收獲能量時的穩定性。由于其可擴展的制造工藝，TENG的幾何形狀可以根據用戶的要求進行定制。
參考文獻：Jie Wang, Shengming Li, Fang Yi, Yunlong Zi, Jun Lin, Xiaofeng Wang, Youlong Xu, Zhong LinWang*. Sustainably powering wearable electronics solely by biomechanicalenergy. Nature Communication 2016, 7, 12744.
https://www.nature.com/articles/ncomms12744
2018年5月，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究組進一步研發了基于納米發電機的實時足壓監測鞋墊。與心率、脈搏等生理信號一樣，足底壓力分布狀態也是重要的生理信號，特別是足跟、中足外側以及跖骨等許多區域的壓力值，都是診斷疾病、預防足底損傷的重要醫學指征。傳統的足底壓力監測系統，或者由于測試板體積龐大、不便穿戴測量，或者受限于功耗和電池的壽命，不能實現長時間連續監測。因此，研發團隊利用自驅動的納米發電機作為傳感點位，大大降低了器件功耗，并進一步用納米發電機作為能源，為傳感系統的數據采集、數據處理和藍牙發送提供電力，實現了包含幾十個關鍵力點的實時數據采集和成像，并可在手機APP中隨時查看。
參考文獻：Chaoran Deng, Wei Tang，Long Liu, BaodongChen, Meicheng Li*, and Zhong Lin Wang* .Self ‐PoweredInsole Plantar Pressure Mapping System. Adv Funct Mater. 2018, 28, 201801606.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201801606
在上述基礎上，研究團隊持續創新。2019年2月，納米能源所的研究團隊展示了一款自驅動智能鞋的實驗室模型。他們采用摩擦電納米發電機（TENG）和電磁發電機（EMG）混用策略，將摩擦起電和電磁感應的有效結合，可使半徑為2 cm，高度為1.2 cm的混合納米發電機在100次振動后將1,000 μF電容器充電至5.09 V。將這種小型混合型納米發電機嵌入鞋中作為能量電池，在人體行走過程中，動能被納米發電機收集，轉化為電能，可以為裝備在鞋上的各類電子器件供電，包括計步器、LED夜跑燈、溫度檢測器以及GPS定位裝置等。
參考文獻：Long Liu, Wei Tang, Chaoran Deng, Baodong Chen, Kai Han, Wei Zhongand Zhong Lin Wang*.Self-poweredversatile shoes based on hybrid nanogenerators. Nano Research 2019.
https://doi.org/10.1007/s12274-018-1978-z
近期，基于納米發電機的自驅動發光套裝和傳感套裝成功面市，象征著在學術領域凝聚了一大批科研工作者智慧結晶的納米發電技術成功實現了產業轉化，為新時代的自驅動智能可穿戴裝備的發展邁出了堅實的第一步。
可以預見，未來幾年在納米發電技術的帶動下，智能鞋以及相關的可穿戴智能設備將飛速發展，迎來一個自驅動的新時代，應用范圍將涵蓋大健康監測、康復理療等等方面，最終實現高新科學技術回饋社會，回饋人民。
更多有關摩擦納米發電技術的前沿研究歡迎關注北京納米能源與系統研究所，關注王中林院士研究組。
北京納米能源與系統研究所
王中林院士研究組
參考資料
[1]https://www.idtechex.com/research/reports/triboelectric-energy-harvesting-teng-2018-2028-000577.zh.asp
[2]Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin,Seongjun Park, "Potential role of motion for enhancing maximum output energyof triboelectric nanogenerator," APL Materials 2017. DOI:10.1063/1.4979955
[3]Long Liu, Wei Tang, Chaoran Deng, Baodong Chen, Kai Han, Wei Zhong, and ZhongLin Wang. Self-powered versatile shoes based on hybrid nanogenerators. NanoResearch, 2017, DOI: 10.1007/s12274-018-1978-z
[4]Jie Wang, Shengming Li, Fang Yi, Yunlong Zi, Jun Lin, Xiaofeng Wang, YoulongXu, Zhong Lin Wang*, Sustainably powering wearable electronics solely bybiomechanical energy, Nature Communication, 2016, 7:12744, DOI:10.1038/ncomms12744
[5]Chaoran Deng, Wei Tang, Long Liu, Baodong Chen, Meicheng Li, and Zhong Lin Wang,Self-Powered Insole Plantar Pressure Mapping System, Advanced Functional Materials, 2018, 1801606, DOI: 10.1002/adfm.201801606
[6]Changsheng Wu, Aurelia C. Wang, Wenbo Ding, Hengyu Guo and Zhong Lin Wang*,Triboelectric Nanogenerator: A Foundation of the Energy for the New Era,Advanced Energy Materials, 2018. DOI: 10.1002/aenm.201802906
