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博文

摩擦纳米发电机面向物联网时代的多领域智能应用 精选

已有 2402 次阅读 2023-1-19 21:29 |系统分类:论文交流

物联网是互联网基础上的延伸和扩展的网络,将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。近年来,随着对物联网的学术研究和商业推广,各种应用如智能监控、家庭安全系统、可穿戴电子设备等极大地改善了人类生活,并且迅速扩展到智能交通、智能环境、城市建设、工业制造、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等各个领域。无线传感器网络是物联网的核心,普遍由10亿以上的传感器组成。随着物联网的普及和应用,无线传感器节点的数量迅速增加,并且物联网网络中电子设备的总功耗非常高。针对物联网对众多传感器的不断需求和相应的高耗电问题,无需电源的自驱动传感器/系统为其提供了最有前途和能量可持续的有效解决方案。

TENG是由王中林院士在2012年首次发明的,作为高熵机械能量采集器件被广泛研究开发。TENG因其制作成本低、结构多样、输出稳定、环境适应性强、生态友好等特点而受到广泛关注。基于TENG和物联网技术集成的各种人机交互系统已经得到了验证,这使得物联网在环境监测、智能农场、智能交通、智能家居、智能工业等方面的可持续应用成为可能,嵌入物联网的自驱动系统的开发有助于极大地改变人类的生产和生活方式。此外,人工智能的快速发展为通过机器学习进行数据分析提供了新的可能性,以加强TENGs在物联网中的应用。这些隐藏在实时信号波形背后的微妙特征可以被自动提取出来用于人工智能应用,例如,手势识别、纹理识别、物体分类、VR、数字孪生等。此外,机器学习手段还为处理/分析TENG检测到的传感信号提供了重要的数据分析工具,促进了物联网应用的进一步研究和发展。

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Multidiscipline Applications of Triboelectric Nanogenerators for the Intelligent Era of Internet of Things 

Xiaole Cao, Yao Xiong, Jia Sun, Xiaoyin Xie*, Qijun Sun*, Zhong Lin Wang**

Nano-Micro Letters (2023)15: 14

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00981-8


本文亮点

1. 从智慧农业、智慧工业、智慧城市、应急管理监测,和人工智能等五个方面总结了TENG在物联网中的多领域智能应用

2. 明确了TENG在智能物联网中的挑战并对未来研究热点进行了展望

内容简介

随着物联网技术发展迭代,基于摩擦纳米发电机(TENG)和物联网技术集成的人机交互系统展示出了可持续和自驱动的优点。通过TENG从环境中收集机械能实现主动传感推动了物联网智能应用的快速发展,极大地改变了人类生产和日常生活的方式。鉴于此,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员联合谢小银教授研究团队对摩擦纳米发电机面向物联网多领域智能应用进行了研究和探讨,其中包括智慧农业、智慧工业、智慧城市、应急监测以及机器学习辅助的人工智能应用,还提出了TENG在未来智能物联网建设过程中的挑战以及潜在研究方向,TENG的广泛发展和应用将赋能物联网以自驱动和智能传感等先进功能。

图文导读

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图1. a 固定介质和移动带电介质的麦克斯韦方程的比较,示意图显示麦克斯韦首次提出的位移电流以及它对电磁场理论发展的贡献;b 摩擦纳米发电机的基本操作模式和两个主要应用。

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图2. 摩擦纳米发电机面向物联网时代多领域智能应用。

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图3. 摩擦纳米发电机在智能农业中的应用

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图4. TENG在智能工业中的应用

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图5. TENG在智能工业中的应用:速度传感

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图6. TENG在智能工业中的应用:轴承传感监测

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图7. TENG在智慧城市-智能家居中的应用

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图8. TENG在智慧城市-智能交通中的应用:驾驶行为监测

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图9. TENG在智慧城市-智能交通中的应用:驾驶工具监测

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图10. TENG在智慧城市-智能交通中的应用:轨道交通监测

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图11. TENG在智慧城市-智能交通中的应用:导航定位传感

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图12. TENG在应急监测和预警的应用

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图13. 机器学习辅助TENG的人工智能应用

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图14. 机器学习辅助TENG的人工智能应用

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图15. 机器学习辅助TENG的人工智能应用-虚拟现实技术

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图16. 机器学习辅助TENG的人工智能应用-数字孪生技术

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图17. 基于TENG传感器的物联网应用的挑战和研究方向。

总的来说,作为一个能量收集器,TENG可以收集环境中广泛的可持续能源高效且环保,而TENG本身也可以作为一个自供电的主动传感器用于各种应用。此外,TENG传感器在智能物联网中的应用也一直是重要的研究课题,并且基于TENG的人工智能技术与物联网的结合研究仍处于早期阶段,需要给予进一步关注和发展。尽管挑战依然存在,但在人工智能技术的辅助下,基于TENG的多领域智能应用的不断研究和探索,必将为物联网时代人与机器的和谐共存,以及众多场景下的沉浸式高效交互带来新的发展。

作者简介

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曹晓乐

本文第一作者

中国科学院大学 博士研究生

主要研究领域

摩擦/压电纳米发电机智能传感应用,柔性可穿戴电子与微纳能源器件。

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谢小银

本文通讯作者

湖北理工学院 副教授

主要研究领域

(1)新能源技术;(2)能量转换器件激发态性质;(3)半导体器件。

主要研究成果

2019年在吉林大学获得博士学位,同年7月在韩国嘉泉大学开展博士后研究。2021年湖北理工学院A类引进人才,哈尔滨工程大学烟台研究院硕士生导师,2022年入选湖北省“楚天学者计划”之“楚天学子”。现担任中国材料研究学会青年委员会理事、湖北省化学化工学会青年委员会理事。主要从事新能源技术和能量转换器件激发态性质等方面的工作。博后期间主持了韩国国家自然科学基金,此外还主持参与省、市、级科研项目共7项,在Nano Energy,J. Mater. Chem. C,Chem. Eng. J 等期刊上发表论文34篇,授权专利6项。

Email:xyxie@hbpu.edu.cn

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孙其君

本文通讯作者

中科院北京纳米能源与系统研究所 研究员

主要研究领域

(1)神经形态器件;(2)半导体器件;(3)智能传感。

主要研究成果

中科院北京纳米能源与系统研究所-研究员,博士生导师,功能柔性电子课题组组长。其研究方向为新材料、半导体器件、电子皮肤传感器、新一代信息技术等。主要是利用新型纳米材料构建柔性场效应晶体管,通过集成压电/摩擦电驱动单元,实现外部机械行为对电学特性调控,并以此为基础对超低功耗人机交互、智能传感、人体健康监测、人工智能和感存算一体化芯片等领域做拓展应用研究。在Nat. Commun., Sci. Adv., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Mater. Today等高水平期刊发表学术论文80余篇,并承担多项国家和地方科研项目。

Email:sunqijun@binn.cas.cn

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王中林

本文通讯作者

中科院北京纳米能源与系统研究所 教授

主要研究领域

(1)纳米能源;(2)压电电子学;(3)纳米发电机。

主要研究成果

博士生导师,中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家,佐治亚理工学院终身校董事教授。王中林院士是国际纳米能源研究领域的奠基人,创立压电电子学、压电光电子学两个学科,发明压电、摩擦纳米发电机,提出自驱动系统、海洋蓝色能源等原创科学概念,并将纳米能源定义为“新时代的能源”---物联网、传感网络、人工智能和大数据时代的分布式能源。他还引领了第三代半导体纳米材料的研究。王院士已在国际一流刊物上发表了超过2100 篇期刊论文(其中80余篇发表在 Science、Nature及子刊上),7本科学专著,20余本编辑书籍和会议文集,授权近300项专利。他的论文被引达39.1万次,h指数299,位居材料科学及纳米科技领域世界第一,位居全球所有领域科学家终身科学影响力排名第九,同时他创立的学术期刊Nano Energy在材料科学领域排名第五。

Email:zhong.wang@mse.gatech.edu

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624




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