文章简介
分布式传感系统的持续发展和繁荣依赖于分布式可再生能源，如太阳能、风能和机械振动。王中林团队开发的用于获取随机机械能的摩擦纳米发电机(TENG)是新时代有前途的新能源，因为摩擦起电无处不在，材料选择广泛。与外部供电传感器相比，由TENG供电的自供电有源传感器的发展是革命性的。随着对TENG传感工作原理的深入研究，TENG传感的应用领域正在逐步扩大，特别是流体动力学传感。这篇综述系统地总结了TENG作为流体动力学传感器的最新研究成果，深入讨论了TENG作为流体动力学传感器的优势，最重要的是，通过解决关键挑战，探索可能的新的关键领域，可以帮助指导TENG在流体动力学传感领域的未来发展方向。原文链接： https://doi.org/10.3390/nano12193261
图文导读
随着面向智能世界的物联网(IoT)和人工智能(AI)的快速发展，作为第四次工业革命基础的分布式传感系统是这个时代硬件领域最重要的发展。幸运的是，利用普通TENG和TENG作为流体动力学传感器的优点，可以更好地实现流体动力学传感。如图1所示，这篇文章的目的是总结TENG作为流体动力学传感器的近期工作，最重要的是，探索可能的新的关键领域，通过解决关键挑战，帮助指导TENG在流体动力学传感的未来方向。
图1：摩擦电纳米发电机用于流体动力学传感的机遇和挑战，从传统领域到未来技术。
图2简要介绍了TENG的四种基本模态及其等效模型。通常情况下，摩擦电材料的机械驱动位置变化引起电场的变化，使电子从一个电极来回转移到另一个电极(产生电流)。单电极模式的电子传递略有不同，因为它只有一个电极:唯一的电极与地面交换电子。每种模式在能量收集、制造和鲁棒性方面都有其优势。
图2：TENG的四种基本模态及其等效模型。(a)垂直接触分离模式；(b)横向滑动模式；(c)单电极模式；(d)独立层式摩擦电模式；(e)触点分离模式的位移电流模型；(f) TENG的等效电路模型。
针对传统天气报告和监测的替代智能工具(如风速和风向、降雨量)，研究人员在传统测量方法的基础上，研究了气象相关的TENG传感器(大部分是无电池传感器)。类似于传统天气预报中常用的风矢量传感器系统，TENG传感器采用风杯或涡轮机作为运动发生器，旋转TENG带有分级电极用于风速信息，以及一个可选的风向标指示器，提供可能的高分辨率风向。图3显示了传统风杯和涡轮机式的风向风速传感。由于风速与风杯转速(rpm)有很好的相关性，而rpm对应的是TENG信号频率，因此许多旋转传感器都使用TENG信号频率来关联和表示风速。
图3：(a)带风向标的软摩擦系统；(b)无人环境监测系统；(c)用格雷码测风向；(d)带电磁发电机方向指示器的滚动模式传感器。
图4展示了具有性能增强功能的传统风速传感，这些传感器既可以高效地作为传感器本身工作，也可以收集环境能量作为低功耗商业传感器的小型电源，经常与电磁发电机(EMG)混合使用以增加发电量。
图4：(a)无叶片涡轮结构；(b)超低摩擦系统；(c)依赖风速的自我调节策略；(d)高耐久性的行程控制方法；(e)旋转到直线运动转换。
如图5所示，对流动引起的振动很敏感的传感器主要包括颤振型和旗型其中，颤振型传感器通常由一个矩形截面的隧道、两侧两个电连接的电极和一个长柔性薄膜(在流动的中间，沿流动方向)组成。薄膜和电极之间由风力产生的周期性静电感应可以产生能量，也可以感知流动信息。
图5：(a)颤振型传感器系统；(b)风矢量探测系统；(c) 旗帜型传感器；(d)颤振行为的表征和COMSOL模拟；(e)颤振现象理论模型；(f)双夹气动弹性系统。
与其他类型的传感器相比，颤振相比于传统传感器有一些独特的优点。图6显示了颤振传感器的特殊功能和特点。首先，它们的设计更简单，因此更容易制造。其次，它们拥有最小的活动部件，不包含齿轮，这使得它们总体上体积小，可扩展性强，这对于在微观世界中扩展它们的应用场景至关重要。最后，在运动部件最少，主要是接触和分离运动的情况下，它们的鲁棒性远远优于基于旋转和摩擦的传感器。
图6：(a)天气监测系统；(b)机-电-光信号转换系统；(c)作为防风屏障的传感器；(d)编织旗式系统；(e)多向火灾探测系统。
另一个TENG用于气象传感的是雨量监测。与传统的雨量计（虹吸式、称重式和翻斗式）类似，图7展示了各类TENG雨量传感器，不仅可以做到雨量实时监测，还能作为一种能量收集的装置，为雨滴驱动的TENG监测系统提供了一种非常有前途的解决方案。
图7：(a)翻斗雨量计传感器；(b)实时酸雨传感器；(c)以雨滴为动力的自驱动雨量监测。
管道和隧道是流体动力学传感中很重要且适合的部分。自供电传感器网络对于管道运输行业的成本降低和风险预警具有重要意义。如图8所示，研究人员在管道和隧道中探索了三种主要类型的TENG流体传感，为TENG在管道和隧道方面的应用提供了重要的参考价值。
图8：(a)防锈水轮式系统；(b)非全管流体流动和水位系统；(c)无创液滴运动监测；(d)带不同面积电极的气动监测；(e)磁瓣式旋转式双功能传感器。
介质的振动如声音、水和空气的运动均可以被TENG所感知。图9展示了一些远程介质振动TENG传感器。此外，包括空气和水的振动等都可以被感知。
图9：(a)听觉传感器；(b)微型摩擦电超声装置；(c)水下环境声源*位器定**；(d)仿生毛须；(e)水下仿生须状传感器。
TENG海浪传感器可以大致分为浮动型和固定型两种。与固定类型相比，浮动类型通常具有更大的设置灵活性和更广泛的应用场景，传感机理主要是固-固和液-固接触起电。图10显示了TENG在海浪运动感知方面的应用，可以探测到的波参数包括波高、波幅、波动和其他局部参数。
图10：(a)高度灵敏的波浪传感器；(b)自供电任意波动传感系统；(c)海洋表面水波传感器；(d)具有分级能量收集功能的海浪传感器。
如图11所示，流动引起的结构振动是学术界和工业界都感兴趣和关注的一个领域。特别是在工业领域，它不仅是建筑物、桥梁、电网线路和快速移动车辆在空中和水中的安全问题，而且也是能量收集的机会。由于它们的循环性质，这些振动通常是有节奏的，也可以由TENG传感器监测。
图11：(a)输电线路舞动传感器；(b)输电线路宽带风振在线监测；(c)桥梁动态位移监测系统。
幸运的是，TENG传感器具有许多优点，如图12，有潜力满足流体动力学传感中的一些上述需求:自供电传感、无线信号传输、可扩展性、材料多样性和流动性。TENG可以主动产生电信号，并有潜力产生足够的电力来保存甚至仅通过TENG传输信号，这使得传感器的设置和维护比传统传感器容易得多。
图12：TENGs在流体动力学传感中的优势和未来应用示意图。
结论
这篇综述总结了TENG作为流体动力学传感器的最新研究成果，深入讨论了TENG作为流体动力学传感器的优势。该综述首先介绍了TENG的原理和优点，然后总结了TENG作为局部流体现象和环境的流体动力学传感器的最新工作;接着探讨了TENG的可能性，并通过利用TENG作为流体动力学传感器的优势来解决工业界和学术界的需求，提供指导，更多地关注流体的局部传感。最后讨论了TENG在达到里程碑和成为具有独特的独特性和优势的适合和实际应用的传感器所面临的挑战。随着研究人员对TENG传感的工作原理、材料选择、加工工艺、系统集成、表面处理、后端算法等方面的深入研究，流体动力学传感作为TENG应用的重要组成部分正在逐步扩大。最重要的是，通过解决关键挑战，探索可能的新的关键领域，可以帮助指导TENG在流体动力学传感领域的未来发展方向。