- 文献综述（或调研报告）：
摩擦电纳米发电机(TENG)于2012年由王中林教授提出[1]，它能够将机械能通过能量转化的方式转化为电能，在收集能量的同时，可以作为一种发电终端，在自供电领域具有巨大的应用前景。TENG基于摩擦起电原理和静电感应原理，当外力施加压力或弯曲力时，两种材料相互摩擦，发生电荷转移，形成摩擦电荷。形变力释放后，两表面自动分开，由于中间夹杂空气层，两面电荷不能完全中和，形成电势差，为了平衡这个电势，通过静电感应在电极板上感应出电荷，外部电路形成瞬间电流。TENG工艺简单，价格低廉，利于大规模生产，由于其自供能的特点，它能够从人类日常活动[2,3],自然环境[4-6]和类似的机械运动中获取能量并将能量转化为电能，在各个领域显示了广泛的应用前景，如识别键盘[7]，监测司机行为的传感器电源[8]，作为信号发生器的智能座椅[9]，甚至可作为植入式设备的电源[10]，和可穿戴电子设备[11]。
自2012年TENG问世以来，其在传感器领域大放异彩，从基础科学到工程设计，在能源、信息、生物以及日常生活等领域都得到了广泛的应用。2013年，Zhu等人设计了一种垂直接触分离式纳米摩擦发电机[12],摩擦电材料为PDMS和金，金不仅作为摩擦电材料也是电极材料，同时采用了弹簧结构，输出开路电压高达1200V，短路电流为2mA。2014年，Lin等人设计了一种可以收集水滴滴落的机械能的TENG[13]，摩擦材料为PTFE和水滴，在实际测试中，在30micro;L水滴的作用下，峰值电压为9.3V，峰值电流为17micro;A。2015年Mao等人设计了一种收集轮胎上机械能的TENG[14]，该发电机将液态PDMS浇铸在砂纸上，制得粗糙化的PDMS，将TENG固定在玩具车轮胎上，通过PDMS和地面摩擦产生电流信号，同时研究了车重量和速度对输出的影响。由此可见，TENG的发展伴随着传感器的应用，而TENG的不断发展，极大地丰富了传感器理论范围和应用领域[15]。
在各种摩擦电材料中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种理想的负摩擦层候选材料，具有电负性高、透明性好、柔韧性好等优点[16]。但研究人员在实验中发现，纯PDMS的性能输出表现远不能达到器件能量需求，因此需要研究提高TENG输出特性的方法［17］。研究人员提出了各种各样的方法，如通过光刻模板制备表面微纳米结构来增加实际摩擦面积[17，19]，表面物理/化学处理[19,21]。还可以在PDMS中掺杂介电材料[22,23]或导电材料[24,25]，构建微电容结构，改善输出特性。因此，基于以往的实验经验，通过将各种方法结合，采用掺杂PTFE的PMDS作为负极性摩擦电材料，并进行适当表面处理，对提高摩擦起电效应、提高器件输出有着重大的帮助。
由背景介绍可以看出，智能机器人对传感技术的依赖巨大，为了模拟人体皮肤的综合触觉感知能力和机械性能，人们对电子皮肤(E-skin)的开发进行了大量的研究。其中不乏基于压容性、压阻性、压电性等多种传导机制的电子皮肤，虽然此类传感器传感器基本能够实现机器人对外界接触的感知，从而实现触觉感知功能，但是此类传感器存在其固有缺陷，制约了它们的应用。一方面，此类刚性类皮肤传感器无法随着机器人外形配置，灵活性较差，另一方面，此类接触感知传感器需要持续的能源供应，当大面积、大密度配置时，电源的制造和集成具有相当大的挑战［26］。
因此研究基于TENG的柔性类皮肤感知传感器具有相当的必要性。与传统刚性材料传感器件不同的是，它可以制作成柔性透明传感器，透明能够保证更好的应用拓展，也有助于实现类皮肤功能，柔性保证传感器件能够较好地随着机器人表皮配置，进一步达到类皮肤的功能；同时由于纳米摩擦发电机是自供能器件，对外界接触感知时不需要能源供给就能产生信号输出，降低了对系统能源供应的需要。人们对柔性电子皮肤的研究不断丰富，基于TENG的柔性电子皮肤已经取得了不少的研究成果。张等人制作了一种具有延展性的双模式工作器件[27]，它能够作为电子皮肤工作在电容模式和摩擦电模式下，工作在摩擦电模式下，它能够检测出小于10kPa的力，工作在电容模式下，它能够检测出10-120kPa的力，丰富了应用场景。李等人提出了一种自供能的具有延展性的接触传感器[28]，由于采用了网格状的结构，它能够适应人体运动，同时能够接测出接触点和滑动速度，在可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。马等人制作了一种基于TENG的传感阵列，可以贴在甲虫表面，能够产生相应的信号输出，且具有较高的分辨率[29]。
经过多年的发展，性能的提高已经不再是纳米摩擦发电机的研究重点，基于其应用的拓展使其焕发出无限的生机与活力。此次课题便是基于摩擦电的机器人柔性感知皮肤研究，旨在能够在机器人类人皮肤传感上取得进展。尽管前人已经有不少基于TENG的柔性电子皮肤的研究，他们提出使用传感阵列实现定位，但此类传感阵列拥有相似的器件结构，多为基本的五层结构，器件顶层多为摩擦电材料PDMS。正如上文提到，TENG基于摩擦起电原理，对两种接触材料的摩擦电极性有固定的需求，当限定顶层摩擦电材料固定时，对于接触物体的材料具有一定的要求，即感知范围具有局限性。并且以往对此类传感器件的研究上没有对输出性能着重讨论，也没有探讨不同工艺和工作方式对性能的影响。因此有必要提出一种新型器件结构，克服以往结构的不足，能够完成对任意物体的接触感知，以便拓宽应用范围，适应多种应用场景。
参考文献：
[1] Fan F, Tian Z, Wang Z L, et al. Flexible triboelectric generator[J]. Nano Energy, 2012, 1(2): 328-334.
[2] Pang Y, Li J, Zhou T, et al. Flexible transparent tribotronic transistor for active modulation of conventional electronics[J]. Nano Energy, 2017, 31(31): 533-540.
[3] Yang Y, Zhang H, Lin Z, et al. Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energy and as Self-Powered Active Tactile Sensor System[J]. ACS Nano, 2013, 7(10): 9213-9222.
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