导读
随着智能化时代的深入发展，传感网络作为基础设施的重要性日益凸显，其部署规模与能耗需求亦急剧增长。传统电池供电方式因续航有限、维护成本高，在长期监测与偏远应用中面临严峻挑战。为此，自供能传感技术应运而生，它通过收集环境中的分布式能量实现自主运行，为突破传感器网络的供能瓶颈提供了新的解决方案，展现出巨大的发展潜力与应用前景。
图文导读
本文在前期关于激光诱导加工技术用于摩擦纳米发电机电极(Advanced Materials, 2021, 33, 2104290；Nano-Micro Letters, 2025, 17, 17)，以及微纳机器人加工(Nature Communications, 2024, 15, 4334)的研究基础上，进一步开展了基于激光加工的自供能无线传感系统的相关研究工作。图1展示了本工作提出的无线传感系统的工作原理示意图，该系统基于摩擦纳米发电机和激光诱导石墨烯尖端电极结构。摩擦电放电机理为：当NBR摩擦层滑过介电层和电极时，会产生摩擦电荷。这种电荷分离促使带有相反电荷的电极之间发生摩擦电放电，从而将低频机械运动转化为高频电信号。通过将发射线圈与调制电容器结合，这些高频信号可无线传输至连接示波器的接收线圈，进而进行信号可视化与分析。整个能量转换与信息传输过程无需外部电源，充分体现了本系统所具有的自供能特性。
图1 基于石墨烯尖端结合纳米发电机的自供能无线传感系统示意图。
图2展示了自供能无线传感系统的电路建模与信号调制机制。该系统可视为由电阻、电容和电感等可测量元件构成的电路，因此可等效为电感-电阻-电容串联模型(图2a)。该模型综合考虑了摩擦纳米发电机的固有电容、尖端电极结构电容、发射和接收线圈电感以及系统电阻等参数。通过测试与计算，系统总电容值为20.9 pF。基于经典共振频率公式，系统的基础频率约为8.6 MHz，与示波器实测信号频率高度吻合。
为探究系统信号的调谐特性，在等效电路中并联调制电容，分析了接收信号频谱与电容值之间的关系。图2b展示了不同并联电容条件下接收信号的时域波形，频谱分析结果显示其基频随电容增加而显著向低频移动(图2c)。该现象符合电容与频率的反比关系：并联电容增大系统总电容，从而降低共振频率。图2d中理论计算曲线与实验测量数据高度一致，不仅验证了电路模型的准确性，也证实了通过并联电容实现无线信号调制的可行性。
图2. 自供能无线传感系统的信号调制机制。(a)系统电路连接方式及其等效模型；(b)不同调制电容条件下的输出时域信号；(c)对应频域信号；(d)调制电容值与接收信号频率的定量关系。
图3展示了该自供能系统的动作触发控制机制及其在家电精准操控中的应用。图3a为动作触发模块的工作示意图，该模块可用于生成智能家居中家电控制的指令信号。系统设计了四个工作于不同频率的传感单元(图3b)，分别标记为A、B、C、D，并搭建了模拟真实家居环境的实验场景。值得一提的是，滑动模块上设置的对应盲文标识显著提升了视障用户的操作便利性。实验数据(图3c)表明，系统采用双状态控制逻辑：首次触发特定频率信号定义为“开启”指令，再次触发同一频率则执行“关闭”操作。具体而言，单元A、B、D分别独立控制警报器、音乐播放器和通风设备，而单元C作为主控信号，可同步协调多个设备的运行状态。本实验中，通过同时控制设备A与B的开关状态，验证了该多设备协同控制功能的可行性。
图3. 自供能无线传感系统在智能家居中的应用演示。(a)信号触发机制示意图。(b)电容调制区分机制示意图。(c)不同信号输入条件下的模拟家电设备控制效果。
总结与展望
本研究提出了一种基于摩擦放电效应的自供能无线传感系统。采用激光诱导石墨烯技术加工的尖端电极，通过结构优化实现了与金属电极相当的信噪强度。系统无线传输距离超过5米，并在20000次循环测试后仍保持稳定。针对视障人士的使用需求，开发了配备盲文滑块的智能家居演示系统，可辅助视障用户独立操控家电，展现了自供能技术在物联网领域的应用潜力。
第一作者
谢斌，广东工业大学在读博士生，2023年硕士毕业于广东工业大学，获工程硕士学位。主要研究方向为激光加工自供能无线传感器件。在Advanced Materials，Nano-Micro Letters 等高影响因子国际期刊发表相关论文4篇，其中一篇入选高被引论文。入选广东工业大学拔尖创新人才培育计划。
通讯作者
陈云，广东工业大学，教授、博士生导师，主要研究方向为半导体湿法蚀刻技术与器件、先进电子封装技术与装备、激光加工技术与装备。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委优秀青年基金等科研项目近20项。发表SCI论文80余篇、获发明专利授权150余件，担任SCI 1区期刊《极端制造》青年编委、《SmartBot》青年编委、中国机械工程学会半导体装备分会副主任委员等。获国家科技进步二等奖、广东省技术发明一等奖、中国机械工业科学技术一等奖、广东专利金奖等。
基金支持
本项目由国家自然科学基金(项目编号：52422511)、广东省基础与应用基础研究基金(项目编号：2022B1515120011)、广州市基础与应用基础研究基金(项目编号：2024A04J6362、GZGX-24-01)、珠海市产学研合作项目(项目编号：2320004002350)及中国机械工业集团有限公司研究专项(项目编号：ZDZX2024-18)资助。
引用信息
Xie, B.; Lin, S.; Guo, Y.; Chen, Y.; Hou, M.; Chen, X.; Wong, C. Triboelectric discharge based self-powered wireless sensing system for smart home application. Soft Sci. 2025, 5, 54. https://dx.doi.org/10.20517/ss.2025.72
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