九章算 Joule 解读【折纸结构摩擦纳米发电机】港科广胡国标团队：让机械动作成为数字世界的“输入信号”

【文章信息】

题目：Origami-structured triboelectric nanogenerator for energy and information co-harvesting from a single hand tap

期刊：Joule

DOI：10.1016/j.joule.2026.102338

第一作者：王雅巍

通讯作者：胡国标

通讯单位：香港科技大学（广州）

【研究背景】

过去二十年，物联网（IoT）技术快速发展，传感器数量呈指数级增长。然而，绝大多数物联网节点仍然依赖电池供电。对于分布式传感网络而言，电池不仅增加了系统体积与成本，更带来了维护、更换和环境污染等问题。特别是在智能建筑、可穿戴设备、数字孪生和泛在感知等场景中，当节点规模达到数万甚至数百万级时，电池已经成为制约物联网进一步发展的核心瓶颈。因此，“无源物联网（Battery-freeIoT）”逐渐成为学术界和工业界共同关注的重要方向。

所谓无源物联网，并不仅仅是能够从环境中收集一点能量，而是要求节点能够在没有电池、没有待机功耗的条件下，完成感知、计算与无线通信全过程。这也是目前绝大多数能量采集研究面临的关键挑战。虽然摩擦纳米发电机（TENG）能够将人体动作、振动等机械能转换为电能，但其输出具有高阻抗、间歇性强和能量微弱等特点，往往只能点亮LED或者驱动简单电子器件，距离真正意义上的无线物联网节点仍存在较大差距。一个更本质的问题是：一次发生在物理世界中的机械动作，所产生的能量是否足以直接完成一次面向数字世界的无线信息传递？如果答案是肯定的，那么人类的每一次触碰、每一次敲击、每一次动作，都有可能直接成为数字世界中的一个事件节点。

围绕这一问题，香港科技大学（广州）胡国标团队提出了一种折纸结构摩擦纳米发电机，并进一步构建了能量与信息协同采集系统（SEIH），实现了单次轻触触发下的自供能无线事件传输。

图1.从机械事件到无线信息：基于DT-TENG的能量–信息协同采集系统

【图文解析】

创新一：把“折纸”变成能量放大器

传统TENG普遍面临一个矛盾：为了获得更高输出，需要更大的接触面积；而为了便于集成和穿戴，又希望器件尽可能小型化。如何在有限空间内同时获得较大的接触面积，一直是限制TENG性能提升的重要问题。研究团队受到钻石镶嵌折纸（DiamondTessellationOrigami）的启发，设计了一种多层折叠结构。与传统平面结构不同，该设计能够通过空间折叠将多个接触单元压缩进有限体积内，在保持器件紧凑性的同时显著增加有效接触面积。更重要的是，作者并未停留在经验设计层面，而是建立了严格的空间几何模型，对折纸结构的可折叠性和接触面积变化规律进行了理论推导。研究表明，不同折纸参数会显著影响最终形成的有效接触面积，并进一步决定器件输出性能。这一工作为折纸型能量采集器的设计提供了可量化的理论依据。

图2.从折纸几何到能量输出：DT-TENG可折叠性与有效接触面积分析

创新二：解决TENG最难的问题——能量真的能用出来吗？

许多TENG论文都展示了很高的开路电压。但对于实际系统而言，更重要的问题是：这些能量能否真正被提取并储存下来？由于TENG内部阻抗极高，大部分能量实际上难以被有效利用。针对这一问题，研究团队专门开发了一套微能量调控电路。该电路能够主动匹配TENG与储能单元之间的阻抗关系，从而显著提升能量提取效率。实验结果表明：系统等效内部阻抗由约10MΩ降低至约4kΩ；单次机械事件最终存储到电容中的有效能量提升约460倍。这意味着过去只能产生瞬态电压信号的机械动作，首次具备了支撑无线通信任务的能力。从系统角度来看，这一能量管理策略的重要性甚至不亚于发电机本身。

图3.如何提升折纸摩擦纳米发电机输出？材料选择与界面优化策略

图4.DT-TENG的输出性能、参数影响规律及长期稳定性验证

创新三：一次轻触，同时完成“供能”和“通信”

传统能量采集系统通常遵循：机械能→电能→存储→长时间积累→通信。而本工作提出了一种完全不同的思路。研究团队发现，人类动作不仅携带能量，同时也携带信息。例如：按门铃、开关灯、点击按钮、触碰设备，这些动作本身就是一种信息表达。因此，作者提出“能量-信息协同采集（SynergisticEnergy and InformationHarvesting）”概念。在该框架下：一次轻触既是能源输入，同时也是信息输入。系统无需持续待机，也无需预先供电。机械动作发生后，系统自动完成：机械能采集→能量管理→信息编码→BLE无线广播。整个过程由同一次动作驱动完成。换句话说，用户不是在“给设备供电后再发送信息”，而是在同一个动作中同时完成供能与信息传输。这也是该工作最具代表性的创新之一。

图5.如何将瞬态机械能真正“存下来”？DT-TENG的能量调控策略与验证

创新四：从能量采集器走向真正的无源物联网节点

相比于传统TENG系统，本工作更关注系统级集成能力。研究团队进一步将折纸TENG、能量管理模块、传感器以及超低功耗BLESoC集成为一个完整的无线节点。实验表明，该系统能够实现：自供能无线开关控制、智能家居交互、人机交互界面、可穿戴环境监测、事件驱动无线感知。整个系统无需电池供电，也不存在待机能耗。只有当机械事件发生时，节点才被瞬时激活。这种工作模式与传统物联网设备截然不同，也为未来大规模部署的无源传感网络提供了一种新的实现路径。

图6.SEIH系统：将机械事件直接转化为无线信息的自供能实现

【总结展望】

本工作带来的启发或许不仅仅在于提出了一种新的折纸摩擦纳米发电机，更在于重新思考自供能传感系统的评价标准。长期以来，大量研究侧重于提升开路电压、短路电流或功率密度等发电指标，但对于真正面向无源物联网应用的系统而言，仅能产生电能远远不够。未来的自供能传感器不仅需要证明其能够从机械动作中获取能量，更需要证明其能够将一次机械事件同时转化为可用能量、数字指令以及无线通信行为，从而真正实现从物理世界到数字世界的信息映射与自主交互。