近日，我院本科生、2022級錢學(xué)森班葉子提出了一種全新的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）全響應(yīng)建模與傳感框架，首次實(shí)現(xiàn)了零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)的協(xié)同調(diào)控，為TENG在精密傳感與穩(wěn)定輸出領(lǐng)域開辟了新思路。研究成果“Full-response triboelectric nanogenerator modeling and sensing framework: Zero state and zero input in synergy”為《科學(xué)研究與創(chuàng)新實(shí)踐》課程研究成果，發(fā)表在Cell Press旗下期刊Device上。葉子與博士生劉松愷為共同第一作者，張執(zhí)南教授為通訊作者。
研究從系統(tǒng)角度揭示了零輸入(ZIR)、零狀態(tài)(ZSR)兩類響應(yīng)在TENG輸出中的協(xié)同作用機(jī)理，建立了通用的解析模型，并通過引入空間因子γ與時(shí)間因子ε兩個(gè)無量綱特征量，提煉出跨結(jié)構(gòu)、跨模式的匹配原則，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可調(diào)且物理意義清晰的輸出奠定了理論基礎(chǔ)。
零輸入ZIR與零狀態(tài)ZSR響應(yīng)協(xié)同控制
包含空間因子γ與時(shí)間因子ε的解析模型
研究針對傳統(tǒng)單開關(guān)模式在外部速度、負(fù)載阻值變化時(shí)輸出易波動(dòng)的缺陷，提出了雙開關(guān)控制策略（Mode 2），在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)設(shè)置“復(fù)位開關(guān)”和“工作開關(guān)”兩個(gè)放電區(qū)間。復(fù)位開關(guān)用于設(shè)定初始電荷量，實(shí)現(xiàn)對零輸入響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)；工作開關(guān)則通過區(qū)間位置的選擇，精確控制零狀態(tài)響應(yīng)的幅值與極性。該策略不僅消除了初始電壓對外部條件的依賴，還使脈沖峰值和波形形態(tài)實(shí)現(xiàn)了量化可控，并可生成負(fù)脈沖、類方波等多種輸出模式。
在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中，該方法實(shí)現(xiàn)了對速度變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)，電壓比值與速度的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998，且對溫濕度變化具有良好的魯棒性。結(jié)合上述模型與控制方法，研究還提出了一種無需信號調(diào)理電路的電容檢測方案。通過優(yōu)化雙開關(guān)設(shè)計(jì)，將TENG在放電區(qū)間的初始電壓嚴(yán)格限定在10 V以內(nèi)，使信號可直接接入高阻抗數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）進(jìn)行采集，避免了高壓擊穿和復(fù)雜電路帶來的成本與穩(wěn)定性問題。該方案能夠覆蓋寬動(dòng)態(tài)范圍，在三檔量程下測得的電容值線性相關(guān)系數(shù)均超過0.999，測量精度可控在0.1%以內(nèi)，并且獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)速度，適合構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、適應(yīng)離網(wǎng)環(huán)境的自供能傳感系統(tǒng)。
研究成果將理論建模、輸出控制與簡化采集三者有機(jī)結(jié)合，為摩擦納米發(fā)電機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向工程化應(yīng)用提供了可行路徑，在工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測、可穿戴設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊前景。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100872
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