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摩擦纳米发电机首次应用于智能体育:乒乓球运动中擦边球的准确裁判与球体运动的大数据分析

注:文末有本文科研思路分析


随着物联网、大数据技术的快速发展和普及,其应用将遍及日常生活的各个角落,如办公和家庭自动化、医疗保健、安全保障、环境监测以及信息通信等。体育领域同样也受到了这一技术进步的影响,进入到数字化竞赛时代。大数据服务,包括比赛成绩、运动员训练表现、健康生理指标等数据的采集和分析,可以有效地帮助运动员进行科学训练从而提高竞技水平,正在成为竞技体育不可或缺的有效手段。实时数据的采集依赖于广泛分布的传感器,而传统的供能器件面临着寿命短、维护成本高、环境污染等问题,发展出一种可持续、免维护的传感技术具有重要的意义。


王中林院士于2012年提出的以麦克斯韦位移电流第二分量为理论根基的摩擦纳米发电机(TENG)为解决这个问题提供了新的思路。TENG能有效地将环境机械能和人体运动转化为电能,具有结构简单、成本低廉、环境友好等特点,在微纳能源、蓝色能源以及主动式传感等领域有着广泛的应用前景。通过集成能量存储器件,基于TENG的自充电能量系统可以为电子器件提供持续的电能供给。另外,TENG还可以直接将机械刺激转化为电信号,用作自驱动传感器。


近期,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组联合普渡大学范凤茹博士,报道了一种具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦纳米发电机(W-TENG)。经过简单有效的木材处理方法,木材的摩擦发电性能和机械性能(包括强度、柔韧性、耐磨性和可加工性能等)都大幅提高。用改性木材制备得到的W-TENG,其输出性能也提升了~70%。同时,这种W-TENG还拥有质量轻(0.19 g)、结构薄(0.15 mm)、价格低等优点。

图片来源:Nat. Commun.


图片来源:Nat. Commun.


图片来源:Nat. Commun.


基于上述优良的性能,这种W-TENG还被用作自驱动传感器构建具有多种传感功能的智能乒乓球台,利用乒乓球撞击球台产生的机械能设计了一种自驱动落点分布统计系统和擦边球判定系统。该自驱动系统可同时实现乒乓球的速度传感、路径追踪和落点分布统计,记录的完整数据可用于大数据分析,给运动员的训练提供有效的评估和指导;而且还能准确的判定两种不同的擦边球,可以辅助裁判员在比赛中做出准确的判罚。这项研究拓展了自驱动系统在智能体育设备和体育大数据分析中的应用,开辟了木基电子器件与自驱动系统相结合的创新研究方向。该研究可以延伸到多种体育运动,例如跳远,篮球,羽毛球,网球,排球等多项体育运动的智能分析。

图片来源:Nat. Commun.


图片来源:Nat. Commun.


这一成果近期发表在Nature Communications,共同第一作者为骆健俊博士、王子铭博士生、许亮副研究员,普渡大学范凤茹博士和北京纳米能源与系统研究所王中林院士为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后创新人才支持计划等项目资助。


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Flexible and durable wood based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing in athletic big data analytics

Jianjun Luo, Ziming Wang, Liang Xu, Aurelia Chi Wang, Kai Han, Tao Jiang, Qingsong Lai, Yu Bai, Wei Tang, Feng Ru Fan*, Zhong Lin Wang*

Nat. Commun., 2019, 10, 5147, DOI: 10.1038/s41467-019-13166-6


导师介绍

王中林

https://www.x-mol.com/university/faculty/48479

范凤茹

https://scholar.google.com/citations?user=Y-b3rF4AAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:这款智能乒乓球桌的设计初衷来自于王中林院士日常生活中的灵感。王院士平时虽然工作繁忙,但仍然保持着积极健康的生活习惯,坚持体育锻炼,在闲暇时间喜欢跑步和打乒乓球。正是在打乒乓球的过程中,王院士体会到擦边球很难判断,也没有一套简便的系统对自己的技术水平给予分析和指导,那我们研究的摩擦纳米发电机是否可以解决这个问题呢?再结合当前的研究热点,物联网和大数据技术,自驱动传感系统在体育赛事和运动员日常训练中大有可为。由此可见,灵感就来自于日常生活中的点点滴滴。只要你热爱工作,热爱生活,或许一个想法就可以解决一个大问题,改变一个行业,使我们的生活更加美好。

Q:为什么采用天然木材作为摩擦纳米发电机的材料

A:天然木材是地球上最丰富的自然资源之一,作为一种可再生、可持续、可降解的材料,已经被广泛用于建筑、能量存储、水净化和柔性电子等领域。我们的研究初衷是考虑到随着物联网、大数据技术的快速发展和普及,未来在日常生活和周围环境中会部署体量庞大的传感器用于收集数据。而摩擦纳米发电机作为新型的自驱动传感器,可在环境中大规模部署且避免了更换电池带来的不便,潜力巨大。通常的摩擦纳米发电机选用聚合物材质,在环境中的广泛分布可能会引起环境污染等问题。正是基于这点考虑,我们决定发展基于木材的摩擦纳米发电机。但是天然木材的机械性能和摩擦发电性能不能很好地满足纳米发电机的性能要求,因此经过系统研究,我们用一种简单有效的化学处理方法使得木材的摩擦发电性能和机械性能(包括强度、柔韧性、耐磨性和可加工性能等)都大幅提高,制备出了具有良好柔性、耐久性的高性能木基摩擦纳米发电机。


Q:这种设计与体育赛事中基于高速摄像头的鹰眼系统相比,有什么优势和不足?未来在乒乓球赛事或者训练中推广的空间如何?

A:大家平时在各种球类运动中能看到基于高速摄像头的鹰眼系统,这项技术的广泛应用提高了竞技体育的公平下,避免了裁判主观判断引起的争议,因此受到各项体育赛事的青睐。但是鹰眼设备的成本较高,因此在一些小级别的赛事中难以应用,在日常训练中则更是无法推广。其次,鹰眼技术是利用视频轨迹追踪,可以判断球的运行轨迹和落点,但是无法获得球在接触一刻的运行速度和撞击力度,这就相当于视觉传感和触觉传感的区别。


我们的技术可以说是很好地解决了上述两点问题。首先,相比于鹰眼技术,它的成本和造价较低,这将使得该系统可以在小型体育赛事及球员的日常训练中推广。其次,由于它的体积小,结构薄,整套系统兼容多个传感器,广泛分布的传感器可以实现大数据的收集和统计,对乒乓球比赛数据和运动员的训练指标提供系统性的分析。此外,作为一种可以监测乒乓球撞击位置和运动速度“触觉”传感系统,它可以弥补鹰眼视觉技术的不足,二者可以配合使用也可以单独使用,可根据实际需求进行选择。


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