《Small》：Efficient Harvesting of Irregular and Low-Frequency Mechanical Energy via Hybridized Electromagnetic-Triboelectric Systems
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本文综述了混合电磁-摩擦电纳米发电机（HE-TENG）的前沿进展。文章指出，物联网（IoT）和可穿戴设备的普及亟需可持续电源替代传统电池。电磁发电机（EMG）和摩擦电纳米发电机（TENG）单一器件在收集环境不规则低频机械能时各有局限。HE-TENG通过巧妙结构设计，将EMG的高电流特性与TENG的高电压、低频高效优势结合，实现了优势互补的宽频响应和更高的能量转换效率。综述从工作机理、理论模型、阻抗匹配到针对风能、波浪能、水流能、振动及人体运动能等多种机械能的结构设计创新进行了系统梳理，并分析了其在为低功耗传感器、无线通讯模块和物联网电子设备供电方面的应用潜力，为开发可靠、宽频的混合能量收集系统提供了关键设计指南和研究方向。
在当今社会，能源是经济发展与生活质量的基石。随着物联网（IoT）、人工智能和大数据时代的到来，便携式与可穿戴设备数量激增，对持续、独立电源的需求日益迫切。传统电化学电池存在寿命有限、需要更换充电、体积笨重及废弃后环境危害等问题。因此，开发可持续、免维护的自供电系统成为确保下一代电子网络长期稳定运行的关键挑战。在众多可再生能源中，机械能因其形式多样（如风、波浪、水流、人体运动、振动）且广泛存在，成为极具潜力的解决方案。在机械能收集技术中，电磁发电机（EMG）和摩擦电纳米发电机（TENG）是最主要的两种宏观能量收集范式。
然而，现实环境中的机械激励（如自然风、海浪、人体生物力学运动）本质上是不规则、高度随机且以低频为主的。单独使用时，EMG和TENG表现出互补的优势与固有的局限性。TENG对小振幅、低频机械触发具有极高的灵敏度，能产生高电压输出，但其性能受限于低输出电流、高内阻以及摩擦界面逐渐的机械磨损。相反，EMG能提供稳健的高电流输出，在连续、高频激励下工作效率高，但其能量转换效率在响应低频和随机输入时会急剧下降。
为了克服这些固有限制，研究人员提出了混合电磁-摩擦电纳米发电机。HE-TENG并非简单地将两个器件拼在一起，而是通过结构与电路层面的深度集成，实现协同工作。其核心思想在于优势互补：TENG擅长捕获低频、小幅度的环境能量，而EMG则在高频、大幅度激励下表现更佳。两者结合，能够实现更宽的频率响应带宽和更高的整体能量转换效率。
从基本原理到互补特性
EMG的工作基于法拉第电磁感应定律，即磁体与线圈之间的相对运动导致穿过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。其输出电压与线圈匝数、面积以及磁场变化率成正比。因此，EMG在高速、连续运动中能产生可观的电流。
TENG则基于摩擦起电效应和静电感应的耦合。当两种电子亲和力不同的材料接触时，表面会产生等量异号电荷。分离时，电荷在电极间形成电势差，驱动电子在外电路流动。TENG有四种基本工作模式：单电极模式、水平滑动模式、垂直接触-分离模式和独立层模式。其输出电压高，但对负载阻抗非常敏感，最佳匹配阻抗通常在兆欧姆（MΩ）到吉欧姆（GΩ）量级。
研究表明，在1 Hz的低频和小振幅（如低于2.5 mm）条件下，TENG能产生比EMG更高的最大平均功率。随着频率和振幅增加，EMG逐渐显现优势。这种性能上的差异，恰恰构成了二者混合的基础。但直接混合面临一个主要挑战：严重的阻抗失配。TENG是高内阻的“电压源”，而EMG是低内阻的“电流源”。因此，高效的HE-TENG系统需要精心设计的功率管理接口（包括专用整流器、中间存储电容器和阻抗变换转换器等）来桥接这一差距，最小化内部功耗，确保来自TENG的高压脉冲和来自EMG的连续大电流能被高效整合，统一为直流总线供电。
面向多种环境能源的创新结构设计
HE-TENG的魅力在于其结构的多样性与适应性，针对不同能源特点，研究者们开发了各具匠心的设计。
捕风者：应对多变的风能
风能普遍存在但具有间歇性和波动性。传统的EMG在风速高时性能优越，但在风速低时效率骤降。TENG则能在低风速下有效工作，但存在摩擦磨损问题。
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风速自适应的混合收割机：有研究设计了柔性协同摩擦电-电磁收割机。在低风速下，仅TENG模块被激活工作；当风速超过阈值，EMG模块才加入，共同发电。这种设计不仅优化了不同风速下的能量收集，还能作为自供电的风速传感器，区分风速是否超过特定阈值。
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稳态输出的混合发电机：通过采用变阻力涡轮叶片设计，结合TENG模块，降低了启动风速。同时，集成了电压电流稳定模块，显著减少了在随机风速下输出的波动，为远程传感提供了稳定的电力。
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自动模式切换的旋转式混合纳米发电机：该设计利用磁悬浮机制，实现了基于风速的间歇接触模式和非接触模式的自动切换。在低风速时，薄膜与电极间发生间歇滑动接触，补充表面电荷的同时摩擦阻力小；风速升高后，切换至完全非接触模式发电，从根本上减少了材料磨损，并保持了较宽风速范围内的稳定转换效率。
驭水者：收集浩瀚的水波与水流
水波能能量密度高，但运动方向多变、频率极低；水流速度通常很慢。EMG在此类环境中往往需要复杂结构，且低频效率低。TENG则因其结构简单、轻质、在低频下高效而成为理想的补充。
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高度集成的波浪能收集器：将永磁体嵌入聚四氟乙烯球壳中，形成一个PM-PTFE球。这个球体在波浪驱动下滚动，同时作为EMG的磁源和TENG的介电层，实现了极高的空间利用率和同步发电，甚至在0.2 Hz的超低频下也能为电容器充电。
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引导液体式各向同性混合纳米发电机：受倾斜卫星天线启发，采用固体-液体界面和同心圆电极对结构。液体流动受重力引导，在波浪激励下产生更稳定、更高的能量输出。这种设计实现了全向能量收集，且由于非固体摩擦界面，具有高耐久性和抗腐蚀性。
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仿生结构收集水流能：灵感来源于鱼类。例如，仿生鱼形混合发电机采用双层密封外壳和两段摆动机制，能在最低0.24 m/s的流速下工作，并将TENG和EMG密封其中，展示了优异的水密性。另一种软仿生鳍结构发电机，利用鱼鳍产生的涡旋效应，使软体发生摆动，进而驱动内部的TENG和EMG。还有Savonius扑翼混合发电机，结合Savonius翼型和扑翼机制，通过棘轮齿条传动机构将低频扑动转化为高速旋转，成功驱动了数百个LED灯和无线环境传感器，展示了在超低流速下为物联网设备供电的潜力。
感知者：捕获工业与生活的振动
从桥梁、车辆到工业设备，振动无处不在。针对振动的能量收集器需兼顾输出效率、频率带宽和空间尺寸。
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多层摩擦电-电磁混合发电机：专为桥梁振动监测设计。其顶层作为传感TENG，用于精确捕获桥梁的振动频率（5-30 Hz），频率测量相对误差小于0.9%；下面多层则作为能量收集TENG，与EMG一同为传感器供电。这种结构实现了能量收集与健康监测的一体化。
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基于振荡电荷泵的混合发电机：创新性地用一个泵TENG为另一个主TENG进行电荷泵送，增加了主TENG的表面电荷密度，从而提升了其输出电压和电流。这种无需复杂开关电路的内部电荷管理机制，与EMG协同，提高了在振动激励下的整体收集性能。
同行者：利用人体运动的能量
人体运动频率低、不规则，是TENG的理想应用场景。将其与EMG结合，可以为可穿戴设备提供更强大的电力。
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高功率电磁-摩擦电混合能量收集器：通过卷簧和滑轮机构，将人体行走、慢跑、冲刺时的不规则往复振动转换为高速旋转，驱动旋转式EMG，同时集成的振动TENG进一步补强。该系统在冲刺时能提供高达800 mW的峰值功率，成功为蓝牙耳机和智能手环充电。
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混合摩擦电与电磁能量地砖：将TENG介电层与EMG线圈磁铁阵列集成到地板砖结构中，收集人类脚步能量。每一步可同时激发两种机制，产生高电压和大电流。与市售能量收集地砖相比，其开路电压提升了25倍，功率输出提高20%，可用于实时照明和传感，是智慧城市基础设施的理想组件。
结论与展望
混合电磁-摩擦电系统通过协同机械与电气耦合，为解决从随机环境能源中高效收集能量这一核心挑战提供了强有力的框架。它桥接了环境能源的随机性与单一收割机工作特性之间的不匹配，实现了宽频带、高功率密度的能量收集。尽管通过仿生结构、磁悬浮、固-液界面等先进设计，已在降低启动速度、减少磨损方面取得进展，但要从实验室原型走向可靠工业应用，仍需解决长期机械耐久性、微型化过程中的尺寸缩放效应、复杂环境下的鲁棒性集成以及高效标准化功率管理电路等关键技术瓶颈。未来的研究需聚焦于开发耐磨材料、优化非接触界面、探索智能材料与自适应结构，并推动标准化功率管理模块的开发。随着这些问题的逐步解决，HE-TENG有望在物联网、环境监测、可穿戴电子和蓝色能源等领域发挥至关重要的作用，真正实现无处不在的自供电电子系统。
