摩擦纳米发电机在智能家居中的应用

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

摩擦纳米发电机在智能家居中的应用

作者：唐颖捷 程娇妍

来源：《河南科技》2018年第13期

摘 要：近年来，智能家居行业发展极为迅速，越来越多的智能电子设备进入人们的家庭。智能家居的发展离不开各类传感器的互联互通，而摩擦纳米发电机作为一种新型的能源转化装置，能有效地将生活中的机械能转化为电能，为个人电子产品、环境监控、医疗器械等提供自供电和自驱动设备。本文通过介绍摩擦纳米发电机的工作模式与特点，总结了摩擦纳米发电机在智能家居中的应用以及发展前景。 关键词：智能家居；摩擦纳米发电机；自驱动

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）13-0054-03 Application of Friction Nanoscale Generator in Smart Home TANG Yingjie1 CHENG Jiaoyan2

（1.College of Physical Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou Henan 450001；2.College of Nursing， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： In recent years， the smart home industry has developed rapidly， and more and more intelligent electronic devices have entered people's homes. The development of smart home can not be separated from the interconnection of various kinds of sensors. As a new type of energy

conversion device， friction nanoscale can effectively transform the mechanical energy into electric energy in life， and provide self power supply and self driving equipment for personal electronic products， environmental monitoring， medical equipment and so on. By introducing the working mode and characteristics of friction nanometers， this paper summarized the application and development prospects of friction nano generators in smart home. Keywords： smart home；friction nano generator；self driving

随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展，人类生活进入了以数字化和网络化为平台的智能化社会。在物联网快速发展的今天，作为物联网一个重要应用的智能家居，正改变着人们的生活方式[1]。智能家居通过家庭网络将家用电器与设备连接在一起，给用户带来更高效、便利和舒适的体验。传统的物联网技术中的关键问题在于传感器的能源供应问题，需要经常更换电池以及检测电池是否正常。在此背景下，需要寻求一个更方便可行的方案，给传感器提供能量来源[2，3]。摩擦纳米发电机的出现，很好地解决了这一问题，其可以将传感器周围环境中的机械能有效的转化为电能，为传感器提供能量[4]。摩擦纳米发电机的这一特点，

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

可以给微纳系统提供自驱动能源，保证器件长期有效地运转，对智能家居的发展与普及有着巨大的推动作用。

1 摩擦纳米发电机概述

摩擦纳米发电机是2012年佐治亚理工学院的王中林教授团队，利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明的一种将机械能转化为电能的装置[5]。摩擦纳米发电机在工作过程中，两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面产生电荷。当两个材料分离时会产生电势差，从而在外部电路上形成电流输出。到目前为止，纳米发电机的面功率密度可达500W/m2，功率密度可达15MV/m3，最高瞬时能源转化效率可达70%左右。这种新型的发电机可以用于收集各种形式的机械能量，如机械振动、人体活动、风能、水能和声波能等，可以为个人电子产品、环境监控、医疗器械等提供自供电和自驱动设备，作为主动型有源传感器有着巨大商用和实用潜力[6-8]。

2 摩擦纳米发电机的种类和工作原理

摩擦纳米发电机通过摩擦起电和静电感应的耦合作用[9]，将环境中的机械能转化为电能。目前根据工作模式的不同，将摩擦纳米发电机分为四种类型[10，11]：接触式、滑动式、单电极式和隔空式。通过不同的发电模式，摩擦纳米发电机可以收集各种形式的机械能，并将其转化为电能。

3 摩擦纳米发电机的特点

摩擦纳米发电机作为一个新型的能源转化装置具有以下特点[4]。

①环保。纳米发电机以柔性聚合物作为制备材料，不需要使用重金属，整个使用过程中不会对环境造成污染，并且可以多次重复利用。②成本低。纳米发电机制备工序简单，不需要昂贵的材料和先进的制造设备，有利于大规模生产和普及。③自驱动。纳米发电机作为能量转化装置，可以将收集起来的能量驱动小型电子设备，可以为大量微小传感器解决能量供应问题，推动“万物互联”的实现。

4 摩擦纳米发电机在智能家居中的应用

由于摩擦纳米发电机能收集不同形式的机械能并将其转化为电能，所以其在微小电子器件的供能和主动式传感器的应用中有着巨大的发展前景。智能家居正是由各式各样的传感器将家用电器与设备互联而成，从而达到舒适、方便、环保的功能。随着纳米发电机研究的不断推进，纳米发电机在智能家居的各个方面得以应用。 4.1 在家人看护系统中的应用

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

随着我国医疗水平的提升，人口老龄化日趋严重。空巢老人的比例逐渐增加，对老年人的照顾与看管成了一大难题。老年人在家中摔倒的情况时有发生。为了解决这一问题，一种基于纳米发电机的智能地板被研制成功，它能有效地监测老人在家的活动情况[12]。根据摩擦纳米发电机产生的电压大小与外部施加的力度大小和频率有关的特点，摩擦纳米发电机被应用于家庭的地板中作为压力检测的传感器。当老人单独在家时发生意外摔倒，地板中的纳米发电机会瞬间产生一个高的脉冲电压信号。通过检测这个脉冲电压，能实现及时报警的功能，让家人及时赶到并提供救助。

4.2 在运动与健康监测中的应用

随着生活水平的提高，人们对健康问题越来越重视。心率检测仪、智能手环、计步器等一系列穿戴电子器件进入人们的生活。但大部分可穿戴电子器件的发展都受限于其能量供应，需要定期更换电池，并且电池所占体积也影响了人们使用时的体验。基于摩擦纳米发电机的一系列可穿戴自驱动电子器件的研发成功，有效地解决了能源供应问题，并且具有更好的穿戴舒适性[13，14]。例如，①基于摩擦纳米发电机的加速度传感器，将其放在鞋底可以有效地记录人们跑步的频率以及加速度；②基于摩擦纳米发电机的心率检测仪，能将人们的心率信息通过无线传输到智能终端，实现有效地远距离记录与监控。 4.3 在家用电器控制中的应用

传统的家用电器控制都需要通过使用遥控器或者直接按压开关来实现控制。对于行动不便的病人，则需要通过家人的协助完成对这些家用电器的开关与控制。而一种集成于眼镜镜框上的摩擦纳米发电机眨眼触发控制器被研制成功，通过检测眨眼的微小动作，将其转化为电压信号，通过信号检测与处理实现了无线控制风扇、电灯等常用家庭电器，甚至根据眨眼的次数还能控制输入软件打字[15]。 4.4 在防盗报警中的应用

随着生活水平的提高，人们对自我人身与财产安全有了更高的需求，防盗安全系统也随之发展起来。防盗报警系统主要用来监测小区与家中的安全状况，一旦发生危险，人们能第一时间做出反应，保障自己的人身与财产安全。摩擦纳米发电机利用其压电特性，在防盗报警系统中也得到了广泛应用。例如，将摩擦纳米发电机安装在门口的地毯下或者门把手上，当有人闯入时能起到安全预警的作用[16]。并且纳米发电机能做成矩阵的形式安装在地板下，根据电信号产生位置的不同，确定外来人员在地板上走动的位置，还可将信息通过蓝牙、Wi-Fi等无线传输方式，传送给监控摄像头控制系统，实现摄像头的跟踪定位，有利于案件的调查于取证。 5 结语

本文从摩擦纳米发电机的概念、分类、特点开始，论述了摩擦纳米发电机在智能家居系统中的应用。摩擦纳米发电机能将环境中不规则的机械能转化为电能，有效地解决了智能家居中