手机没电了？跺跺脚就能充，新型发电地板或可为智能家居无限供电
文 | 学术头条，作者 | 郝景，编辑 | 寇建超
跺跺脚、踩踩地板，家里的冰箱、电视、手机、电脑就都能充上电，你敢信？
地板是我们每天都会踩一踩、却基本上不会主动去关注的东西，更不用说将其与“发电”联系在一起了。
但你没有听错，地板确确实实可以用来发电。
近日，来自苏黎世联邦理工大学的 Guido Panzarasa 博士及其团队、合作者，就制造出了一种可发电放入地板——功能化木材摩擦电纳米发电机（functionalized wood triboelectric nanogenerator，FW-TENG）。
据了解，FW-TENG 有着比传统 TENG 高出 80 倍以上的摩擦电输出，未来可用于为家用设备供电、驱动微型电致变色窗，以及调节室内照明等。
相关研究论文以“Functionalized wood with tunable tribopolarity for efficient triboelectric nanogenerators”为题，已发表在科学期刊 Matter 上。
高端却又接地气
这种听起来很高大上的发电地板，发电却是通过我们生活中最常见的“摩擦电”。比如当你梳头发时就会产生摩擦静电，梳子会把头发“带”起来。
因为通过摩擦，头发失去了一些电子，而梳子得到了一些电子，此时梳子带负电、头发带正电，才有了摩擦起电的现象。由于两种异性电子的相互吸引，头发丝才会被梳子“带”起来。
而这种发电地板，也正是通过人们脚踩地板时产生摩擦电，并将其输出而“发电”的。
图｜通过踩踏可以使地板发电，因此电灯会亮（来源：该论文）
研究人员使用 ZIF-8（一种金属有机框架材料）颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）对两块木板进行了表面改性（表面改性是指，在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，比如亲水性、抗静电性等），因此木板表面的化学和形态变化增加了木材在周期性“接触-分离”中失去（ZIF-8@wood）或获得（PDMS@wood）电子的能力，从而产生了电量。
金属电极被连接在两块木板功能化贴面的背面，通过外部电路收集和转移静电感应电荷，因此可以产生电流，从而具有发电的功能。
图｜用ZIF-8@wood和PDMS@wood制作的FW-TENG的原理图（来源：该论文）
该 FW-TENG 的工作原理是通过接触带电和静电感应的耦合效应。
当带正电的 ZIF-8@wood 与带负电的 PDMS@wood 摩擦接触，相反的静电荷由接触带电产生。电子从 ZIF-8@wood 表面转移到 PDMS@wood 表面上，产生完全平衡的静电成对电荷。在这个阶段，外电路中没有电流。
一旦两层分离， PDMS@wood 表面的负电荷不能被 ZIF-8@wood 表面的负电荷补偿，导致上下电极之间产生电位差。同时，在静电感应的作用下，电极上会产生相反的电荷。为了屏蔽该电位差，静电感应自由电荷将通过外部负载在两个导电电极之间流动。
在此过程中产生电流和电压输出，直到两个电极的电位再次达到平衡。
一旦 ZIF-8@wood 回归方法 PDMS@wood ，电位差将开始减小，驱动电荷向相反的方向回流，直到达到原始状态，导致反向电输出。
图｜摩擦电气化过程的示意图表示。（来源：该论文）
相关研究已经证明， TENG 中的内部电路是由位移电流决定的，而在外部电路中观察到的电流是电容导通电流。如下图所示，内部电路和外部电路在两个电极处汇合形成一个回路。因此，位移电流是电流产生的内在物理核心，电容导通电流是位移电流的外在表现形式。
图｜功能化木材的工作机制示意图。（来源：该论文）
发电地板不可小觑
在该论文中，研究人员提出，通过组装许多大规模优化的 FW-TENG，串联或并联连接更多元件，可以最大限度地提高电输出，从而为更多能源密集型设备供电。
因此，研究人员制作了一个摩擦电木制地板演示器，由 6 个电连接优化的 FW-TENG 制成。其中，导线从铜箔中引出，直接连接到家用灯上，当人在木板上行走时，灯很容易就能变亮。
其次，这种 FW-TENG 可以为智能电致变色窗户供电，以调节太阳光的透射率，降低照明能耗。（电致变色窗户是一种在施加电压时变暗，去掉电压时变成透明的新型智能节能窗。）
这种 FW-TENG 不仅能实时供电，还可以将产生的电能储存在电容器中。简单来说，就是该 FW-TENG 可以给电池充电。就像给台灯供电，没有电池的台灯只能在接通电源的情况下使用，而有电池的台灯可以在充电一段时间后断开电源使用，而 FW-TENG 的作用就是电源。
如下图所示，刚开始计算器是没有电的，在反复按下演示器几秒钟，然后将计算器连接到要供电的电容器上，计算机可显示数字。这些概念验证应用证明了大规模 FW-TENG 在智能建筑中的适用性。
图｜该 FW-TENG 可以为电容器充电（来源：该论文）
除了能发电，地板也可以很智能
早在 2013 年德国 Hasso Plattner 研究院就研发出一款基于“重力空间”的智能地板。这是一种通过压敏传感器和摄像头跟踪技术，以准确追踪房间内人和家具的高分辨率的压敏地板。
这种技术可以广泛地应用到家庭安全、自动化以及互动游戏等领域。比如当老年人摔倒以后，地板可以自动报警。通过身份识别系统可以判断地上站着的是哪个家庭成员等。
但是这种智能地板需要在玻璃地板下安装昂贵的电子元件，维护也很困难，只能算是一款概念演示产品，这个地板可以说一点儿也不“接地气”，不能“飞入寻常百姓家”。
无独有偶，2014 年欧洲 Fraunhofer Institute 开发了 CapFloor 智能地板，这种压敏地板的底层由金属丝构成感应模块，人体接触后，电场发生变化，从而触发整个模块系统，功能与上述德国的地板类似。
（来源：Communications in Computer and Information Science）
更令人满意的是，这种材料并不需要在地板下安装昂贵又难以维护的传感器和电子元件，仅需铺设金属导线等，因此费用大大降低，使智能地板产品在实用化上迈出了一大步。
这种地板的安全性也相对较高，最高也只能产生 30 伏的电压，而普通平板电脑都能产生 20 伏的电压，由此可见这种地板对人体基本不会产生伤害。
当前，国内厂商在地板智能化的开发上主要聚焦在采暖方面，例如可以自发热的地板，兼具了地板和地暖设施的双重功效。
虽然很多人认为智能化地板普及的可能性不大，甚至认为是地板厂商营销的“噱头”，但未来智能家居的发展是一个趋势。就像手机可以与空调互联、远程控制空调温度开关等，或许以后手机也可以控制这种智能化的地板，使其在发电、监测以及自动化等方面有一定的发展。
科技和生活总是相辅相成。在不久的将来，这种地板或许可以通过人体的踩踏压力或者其他方式，源源不断地给整个家庭供电，使得人体的化学能再次转化为电能循环利用，节约我们地球上仅有的资源，为人类的发展作出贡献。
所以，你会考虑在家里铺上这样的地板吗？
- 参考资料：
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00393-3
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778819338289
https://ifb.ethz.ch/woodmaterialsscience/people/group-leaders/gudo-panzarasa.html
https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-33533-4_3
更多精彩内容，关注钛媒体微信号（ID：taimeiti），或者下载钛媒体App
核心关键字： 物联网 科创板相关文章
-
海地简史，被欧美轮流按在地上摩擦的国家！
作者：小二胖 来源微信公众号：智库百晓生如果不是总统遇刺身亡，大多数人可能都不知道还有海地这么一个国家。海地位于加勒比海的伊斯帕尼奥拉岛，这岛上有两个国家，一个是海地，另一个是多米尼加。左边海地，右边多美尼加海地是个神奇的国度，被欧美的殖民者轮番虐了几个世纪之后，忽然硬气了一把，成为拉丁美洲第一个独立的国家。然而，开局即巅峰，这话说的就是海地。后来，越混越不咋地，人民穷得连土都吃不起了。别笑，一点没有夸张的表现手法，这是真事。穷的吃不起饭，海地人只能吃土。这是一种叫做蒙脱石的黏土矿物，把粘土在水里调制成泥...
2021-07-15 06:55:38 海地在地上简史 -
.jpg&w=224&h=120&zc=1)
小二胖：海地简史，被欧美轮流按在地上摩擦的国家
海地位于加勒比海的伊斯帕尼奥拉岛，这岛上有两个国家，一个是海地，另一个是多米尼加。左边海地，右边多美尼加海地是个神奇的国度，被欧美的殖民者轮番虐了几个世纪之后，忽然硬气了一把，成为拉丁美洲第一个独立的国家。然而，开局即巅峰，这话说的就是海地。后来，越混越不咋地，人民穷得连土都吃不起了。别笑，一点没有夸张的表现手法，这是真事。穷的吃不起饭，海地人只能吃土。这是一种叫做蒙脱石的黏土矿物，把粘土在水里调制成泥浆状。在搅拌的时候，加上一点黄油和食盐，然后做成一块块的圆饼，在放到太阳底下暴晒，晒干了，像饼子一样。即...
2021-07-14 19:30:35 海地美国海地人小二胖 -
战略性失败 并购一言难尽 好莱客一直靠零售大宗来回摩擦
作者：菜根谭来源：GPLP犀牛财经（ID:gplpcn）“报！欧派家居创历史新高！”“报！志邦家居创历史新高！”“报！主公，咱们的股票离历史高位还有”说到这里，来报的小兵拿出计算器摁了半天，突出：“还有59.23%！大概是大腿的位置，是大腿斩！“说完小兵躬身退去。此时的某老板脸色忽青忽紫，把桌面一掀，叮呤哐啷碎了一地杯子。打开股票K线图，看着自己控制的另外一家上市公司，也离高位还有N个涨停板的距离...
2021-05-13 21:43:20 亿元木门公司 -
在中美贸易摩擦问题上大幅让步，拜登打的是什么算盘！
作者：金鸿来源：金鸿评论011月29日，拜登政府表示，将重新评估前总统特朗普时期的国家安全措施，其中包括中美第一阶段经贸协议。 拜登终于在中美贸易摩擦问题上采取行动了，那么，他打算怎么评估第一阶段经贸协议呢？ 据美国政府的消息人士说，拜登政府在评估期间会暂停实施美国对3700亿美元中国商品加征关税的措施，直到全面评估完成、美国找出与其他国家联合对华的最佳办法后，再决定做出哪些改变。 注意消息人士的说法，在评估期间，拜登政府将暂停对3700亿美元中国商品加征关税的措施。 也就是说，尽管中国依然对美国商品加着...
2021-02-01 08:52:48 的是中美算盘 -
美公开放言：中国为应对中美摩擦，正在提高核打击能力
据香港《南华早报》报道，最新报告称，面对与美国日益激烈的对抗，中国提高了核打击能力。中国的东风-41洲际弹道导弹根据美国《原子科学家公报》上周四（12月10日）发布的研究报告，中国人民解放军火箭部队目前拥有40个旅，与2017年相比增加了35%，并且正在组建更多的旅。该报告还估计中国拥有约350枚核弹头，大多数是为陆基导弹设计的。该报告估计中国人民解放军火箭军大约有一半的旅拥有弹道导弹或巡航导弹 台湾高雄海军学院前任讲师卢立实（音译）表示，解放军火箭军不仅在武力攻台中起着关键作用，而且还负责在报复性核打击...
2020-12-28 15:51:10 中美中国摩擦 -
中印摩擦后 中方换装更先进战机 是中国空军首款装备AESA雷达的战斗机
据美国《军事观察杂志》网站11月25日报道，中国西部战区的一些空军战斗机单位直接从歼-7换装为最先进的歼-16战斗机。中国空军的歼-7G战斗机文章称，中国人民解放军西部战区空军部署的战斗机已经开始直接从歼-7战斗机过渡到先进的歼-16战斗机，尽管历史上该战区并未被优先考虑配备最新的装备。值得注意的是，西部战区司令部负责与印度接壤的边境地区的安全，该地区在2020年6月爆发了紧张局势。歼-16是目 歼-20战斗机主要部署在东部和南部战区毫不夸张地说，单架歼-16能够覆盖整个歼-7中队所能覆盖的区域，这是因为...
2020-11-29 14:25:09 换装战斗机战机 -
迈克生物回复深交所问询函 称贸易摩擦对盈利能力影响不大
作者：韫匿来源：GPLP犀牛财经（ID:gplpcn）11月21日，迈克生物（300463.SZ）发布公告称，其回复了深交所对迈克生物申请向特定对象发行股票的审核问询函。公开资料显示，迈克生物主要依靠代理产品获得收入，代理产品均为国际体外诊断企业的产品，该部分占其总营收的50%。从2017年到2020年，迈克生物前三季度的主要代理产品收入分别为7.50亿元、9.45亿元、10.45亿元、6.51亿...
2020-11-27 08:17:08 迈克亿元生物 -
长江证券研报详解阿里巴巴发展逻辑：20年来降低商业摩擦成本
摘要：“作为连接商家与用户的平台方，阿里巴巴的核心价值在于通过数字化对接双方需求降低商业环境中的摩擦成本，提高商品成交转化效率。”网商君“作为连接商家与用户的平台方，阿里巴巴的核心价值在于通过数字化对接双方需求降低商业环境中的摩擦成本，提高商品成交转化效率。”近日，长江证券发布的深度研究报告《纵览电商之三：阿里巴巴的数字化版图》聚焦阿里巴巴的发展脉络，剖析其长期发展的逻辑。报告认为，“创造、迭代赋...
2020-07-28 18:17:12 阿里长江证券摩擦 -
金鸿评论: 特朗普希望大选之前结束贸易摩擦 |2020-6-26
1、背景分析先来看两条消息：6月22日，白宫贸易顾问纳瓦罗在接受福克斯新闻采访时说，中美贸易协定已经终结；6月24日，中国日报报道，孟晚舟引渡案有望在2021年5月之前结案。此外，据加拿大前司法部长艾伦·洛克称，渥太华现在完全有权力当即释放孟晚舟。孟晚舟事件与中美贸易摩擦又一次同时有了消息，美国这是在打什么主意呢？要想正确地分析这个问题，预测出结果，就必须得进行背景分析。所有事情的发生都是形势推动的结果。这个形势，就是趋势。古人讲“时也，运也，命也”，也是指的这个。那么，什么是趋势呢？趋势就是背景，就是为...
2020-06-26 12:02:05 背景美国委内瑞拉 -
特朗普希望大选之前结束贸易摩擦（介绍一个分析方法）！
作者：金鸿来源：金鸿评论 1、背景分析 先来看两条消息： 6月22日，白宫贸易顾问纳瓦罗在接受福克斯新闻采访时说，中美贸易协定已经终结； 6月24日，中国日报报道，孟晚舟引渡案有望在2021年5月之前结案。此外，据加拿大前司法部长艾伦·洛克称，渥太华现在完全有权力当即释放孟晚舟。 孟晚舟事件与中美贸易摩擦又一次同时有了消息，美国这是在打什么主意呢？ 要想正确地分析这个问题，预测出结果，就必须得进行背景分析。所有事情的发生都是形势推动的结果。这个形势，就是趋势。古人讲“时也，运也，命也”，也是指的这个。...
2020-06-26 06:15:52 摩擦结束方法
| 留言与评论（共有 0 条评论） |
