在人机交互领域，非接触摩擦纳米发电机传感器已经被作为有效的接近感知工具。然而，表面电荷密度迅速衰减和电学输出性能差，仍是亟待突破的难题。尤其是限制了基于数据一致性的非接触人机交互应用。

  针对上述挑战，济南大学王鹏博士，浙江理工大学孟垂舟教授,河北工业大学刘腾教授近日联合在 Nano Energy上发表题为“Multi-layer charge dynamic balance noncontact triboelectric nanogenerators with surface spiral structure prepared by ink direct writing for a robotic motion following system”的研究成果，论文第一作者为河北工业大学段景乐博士。

  受圆形雷达与螺旋天线的启发，团队开发出一种由墨水直写机直接制备的表面螺旋结构非接触传感器，最远检测距离可达5.5 m。同时设计制备了一体化多层（电荷产生层、电荷束缚层、电荷阻挡层、电荷收集层）电荷动态平衡的策略，电荷稳定性能达到了150 h，实现了非接触一维、二维运动跟随系统，为开发先进的智能人机交互提供了全新思路。

  TENG高的表面电荷密度取决于它的内部材料的电荷产生，存储，阻挡，传输的动态平衡。为提高表面电荷密度，研究团队采用墨水直写机技术，分别制备了基于高比表面积Co-NPC/Ecoflex（电荷产生层），高电负性MXene/Ecoflex（电荷束缚层），高介电常数CCTO/Ecoflex（电荷阻挡层）和高导电性Carbon black/Ecoflex（电荷收集层），通过集成这四层实现了一体化高性能非接触传感器的制备。同时，通过仿真和实验验证了具有表面螺旋结构的电荷产生层非接触传感器具有优异的非接触感知性能。

图 1：非接触TENG传感器的设计，制备和协同增强机制。（a）图：墨水直写机采用不同Ecoflex基复合墨水逐层制备非接触TENG的示意图；（b）图：非接触TENG设计的示意图；表面螺旋结构非接触TENG（大小 ~ 1 cm × 1 cm）的（c）俯视图和（d）横截面。工作机制：（e）PTFE与Ecofelx间无明显的电荷偏移；（f）电荷产生层Co-NPC/Ecoflex产生的带偏移；（g）电荷束缚层MXene/Ecoflex产生的带偏移；（h）电荷阻挡层CCTO/Ecoflex产生的带偏移锐增。（i）制备的轻量3 × 3传感阵列贴片的光学图片可被（j）扭曲, （k） 拉伸和（l）折叠。

图 2：不同层关键组成成分的表征。SEM图和XRD分析：（a）炭黑/Ecoflex，（b）CCTO/Ecoflex，（c）MXene/Ecoflex和（d）Co-NPC/Ecoflex。

图 3：仿真和实验优化摩擦纳米发电机的表面微结构。（a）图：表面方形循环结构和螺旋结构的COMSOL表面电势仿真和光学图片。（b）图：不同表面螺旋结构的测量输出电压（大小 ~2.5 cm × 2.5 cm, 距离 ~1 cm）。（c）表面螺旋结构的边缘场效应和静电感应的协同感知面积。（d）相同面积下不同螺旋圈数螺旋壁间的距离。（e）不同螺旋数下非接触TENG传感器的输出电压。（f）表面螺旋结构在不同距离下COMSOL电势分布仿真结果。（g）不同功能层的输出电压变化

图 4：非接触TENG的输出性能评估。（a）图：电晕放电原理的示意图解释。（b）接触起电和电晕放电改善表面电势的对比。（c）不同层表面电势随时间衰减的对比。（d）-（e）不同距离下的输出电压、电荷和电流。（g）不同湿度下的输出电压。不同负载下的（h）输出电压和电流和（i）功率。（j）电流增加管理电路。（k）大面积非接触TENG点亮LED灯阵列。（l）对不同感知材料的输出电压。

图 5：由非接触TENG实现的非接触机器运动跟随证明。（a）图：1D非接触机器运动，跟随的工作原理。（b）1D非接触机器运动跟随实验的视频截图。（c）1D非接触机器运动跟随过程中产生的电压与速度信号。（d）2D非接触机器运动跟随的工作原理。（e）2D非接触机器运动跟随实验的视频截图。(f) 不同希腊字母形运动轨迹的示意图。（g）实时收集不同希腊字母形运动轨迹的输出电压。（h）π形运动轨迹的输出电压信号。（i）用于识别不同运动轨迹的机器学习算法（卷积神经网络）的流程图。（j）机器学习结果的混淆矩阵。

  综上所述，该工作的核心创新在于“表面螺旋结构+多层电荷动态平衡”的设计思路。通过模仿圆形雷达和螺旋天线的结构，由墨水直写机制备了带有表面螺旋结构的一体化多层非接触TENG，实现了5.5 m的远距离感知、长时间150 h的稳定性能。并通过电晕放电，电流增加管理电路提高了性能。该非接触TENGs实现了1D/2D运动系统的实时跟随，为3D的人机交互应用奠定了坚实的基础，极大地丰富了人机交互的体验。

作者介绍

王鹏：济南大学机械工程学院教师，硕士生导师，校聘青年英才岗，研究方向为柔性传感器，以第一作者/共同一作/通讯作者发表论文48篇 (包括28篇中科院一区Top期刊，5篇ESI前1%高被引文章），包括Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Materials Science、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors等高水平期刊；累计撰写、申请发明专利19项，其中9项已授权；担任Exploration期刊青年编委；中国微米纳米学会高级会员；受邀担任国际SCI检索期刊Advanced Functional Materials、Nano Micro Letters、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等的审稿人；2025年获得济南市自然科学技术成果一等奖，连续两年获得2021年、2022年博士研究生国家奖学金，2022年获得天津市创新奖学金，2023年获得河北省优秀毕业生，2018年获得天津市王克昌文化科技奖学金，2024年获得河北工业大学优秀博士论文，2022年获得河北工业大学学术之星，2022年获得河北工业大学三好学生荣誉称号，连续两年获得2021年、2022年河北工业大学机械工程学院十佳学术之星荣誉称号。个人主页：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

刘腾：河北工业大学机械工程学院教授，博士生导师，河北工业大学“元光学者”，河北省高等学校青年拔尖人才，河北工业大学智能康复装置与检测技术教育部工程研究中心综合办公室主任。2016年在中国天津大学获得机械工程博士学位。参与获得天津市科学技术进步一等奖1 项，发表高水平学术论文30余篇，申请发明专利13项。研究方向为弹性体结构的动力学建模、设计与控制技术及其在智能护理床和医疗机器人中的应用。

孟垂舟：浙江理工大学材料科学与工程学院特聘教授，博士生导师。国家海外高层次人才引进计划青年特聘专家、河北省海外高层次青年人才、河北省侨联侨界专家委员会委员。清华大学物理学学士、博士学位，曾任职美国普渡大学生物医学工程系博士后研究员、美国IBM半导体研发中心高级工程师、新奥集团能源研究院石墨烯/储能/能源新材料等技术中心主任。长期从事新型纳米材料和高分子弹性体的制备研究，以及其在能源转换与存储、生物医学传感、柔性电子皮肤、可穿戴健康设备、和健康护理装备上的应用开发。

  原文信息

  J. Duan, Y. Zhao, G. Yue, et al. “Dynamic Charge-Balanced Multi-Layer Noncontact Triboelectric Nanogenerator Sensors with Surface Spiral Micro-Structures for Intelligent Robotic Motion Following.”  (2026).

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111924