研究简介

压电能量收集器（PEH）和摩擦纳米发电机（TENG）是收集和利用机械能的代表性技术，能够将随机和不规则的外部机械能转化为电能。为提升能量收集器的整体性能，研究人员已经提出并开发了多种创新优化方案。然而，面对应用需求的持续演变和应用场景的多样化，仍需解决若干关键挑战，包括响应复杂的激励、材料性能的充分利用以及实现设备的小型化制造等。折纸/剪纸技术是一种在二维材料中实现三维结构构建的创新方法，已被证实能够显著提升装置的机械特性，并与能量收集装置表现出高度的适配性（图1），这项技术的应用为能量收集器的创新发展开辟了新路径。目前，关于折纸/剪纸结构对能量收集器的贡献有许多杰出的研究，在提高输出性能和应用方面取得了许多突破。本文对基于折纸/剪纸结构的能量收集器进行了回顾，将其分为两个阵营，即基于折纸结构的能量收集器和基于剪纸结构的能量收集器，并探讨了它们在实际应用中的潜在价值。最后，本文总结了该研究领域的发展，并提出了未来可能的研究方向。

本文要点

基于折纸结构的能量收集器

本文简要介绍了折纸的基本概念（图2），然后根据折纸结构的类型总结了基于折纸结构的能量收集器：

基于Miura折纸结构的能量收集器

折纸镶嵌模型是一种具有周期性折痕图案的折纸模型，通过弯曲和折叠等变形操作，可以将平面转化为连续的三维结构。Miura折纸结构是最典型的折纸镶嵌模型。Miura折纸结构可以为摩擦材料提供更多的空间，从而改善不同步运动的问题。一些改进摩擦材料和支撑材料的研究也正在进行。此外，TENG通常会受到环境变量的影响，特别是在潮湿的环境中，液体会消散材料摩擦产生的电荷，从而限制TENG的性能。制造完全防水且性能优异的TENG材料颇具挑战，折纸结构为封装发电装置提供了简便方法，有效克服了在潮湿环境下TENG的电荷存活率和稳定性问题。

基于水弹折纸结构的能量收集器

水弹折纸结构是一种单顶点驱动的多稳态模型。当系统接收到振动激励时，相同的折纸结构可以根据其压缩和拉伸的方向适配不同的能量收集器。当水弹折纸结构沿z轴移动时，即沿折痕方向折叠，该装置更适合压电能量收集器，因为它会发生强烈的弯曲变形。如果水弹折纸结构沿着x或y轴移动，不同折痕之间的面板就会接触，这将更适合摩擦纳米发电机。此外，Pang等人证明了该结构下的TENG也具有良好的同步性。

基于Kresling折纸结构的能量收集器

Kresling折纸‌结构是一种特殊的折纸结构，它由一系列相互连接的三角形构成，形成了一个空心圆柱体的形状。Kresling折纸结构在被驱动时不仅涉及多个平面的接触，同时会触发折痕和平面的形变，这使该结构具备与不同类型的能量收集装置结合，甚至耦合不同机制的能量收集器的能力，有效解决和缓解传统混合纳米发电机常见的局限性问题。

图5：基于Kresling折纸结构的能量收集器。

基于双螺旋折纸结构的能量收集器

折纸双螺旋结构是通过折叠一条或多条纸条（通常是矩形的）形成的，通过以特定方式折叠和旋转纸带，可以形成两个或多个交织的螺旋结构。通过将这种巧妙的设计与不同的材料相结合，创造了许多基于双螺旋折纸结构的能量收集器，如图6。随着研究领域的不断发展，研究人员试图修改一对细长条带的折叠技术，旨在通过优化折叠方法来提高TENG的效率。Hu等人证明了设计新的折叠方案可以进一步增强摩擦副的有效接触面积（图6D），从而提升TENG的输出表现。

基于剪纸结构的能量收集器

剪纸结构本质上是通过故意破坏C⁰-连续性来释放约束。C⁰-连续性规定变形片材上的任何曲线都必须是连续的，这对潜在的形状施加了严格的限制。研究人员可以根据特定需求量身定制的不同切割和折叠技术，从而开发出独特的形状和结构。这种灵活性为现实世界中的复杂应用问题提供了解决方案。本文根据将机械能转化为电能的方法，探讨了基于剪纸结构的压电能量收集器和摩擦纳米发电机。在压电能量收集器中，剪纸结构的引入，使其在高形变条件下，仍能产生稳定的电压输出。基于剪纸结构的PEH展现了在多方向、多频率机械信号和风环境中收集能量的能力。同时，通过结构优化，使其具有应用于可穿戴传感器的强大潜力。在摩擦纳米发电机中，剪纸结构使TENG能够承受高拉伸应变，并具备多种激励响应模式，同时拓宽了其频率响应范围。

基于折纸/剪纸结构的能量收集器在自供电传感器方面的应用

能量收集器的引入推动了自供电传感器技术的进步。基于折纸/剪纸结构的能量收集器具有良好的柔性结构，一种集成TENG的电子皮肤被提出（图8A），并基于这种电子皮肤开发了一套智能拨号通信系统。此外，这些能量收集器能够通过利用环境能量为传感器持续供电，降低了对外部电源的需求，并实现了对环境变量的实时监测。自供电传感器通过监测路面状态来实现道路的安全性监测。在电网中，架空输电线路容易受到强烈振动的影响，对电网系统的安全性和稳定性构成严重威胁。用于监测这些线路的自供电传感器对于电网的安全运行至关重要。基于折纸结构的能量收集器可以集成到多种监测设备中，体现了其出色的环境适应性。

基于折纸结构的能量收集器在海洋能源俘获方面的应用

海洋能源资源是一种宝贵但未充分利用的能源。尽管其理论能量约为每年151300 TWh，但收集海洋能源的技术仍面临诸多挑战。这些挑战包括有效利用方向和频率不规则的波浪能，以及开发有效的方法来预防或延缓与海水腐蚀结构的相关问题。来自海洋的波浪能所占份额最大，其潜在资源量接近18500 TWh。图9展示了基于折纸结构的能量收集器在海洋能源俘获方面的应用。这些独特的设计不仅允许基于折纸结构的能量收集器捕获多向、多频的波浪能，还可以保护TENG免受海水腐蚀，为捕获不规则方向的波浪能提供了一种优质的解决方案。

基于折纸/剪纸结构的能量收集器在医疗领域的应用

能量收集器的应用已扩展到医疗领域。基于折纸/剪纸结构的能量收集器具有优质的变形能力，使其可以应用于更全面的场景，进一步增强了它们在医学领域的相关性。目前，已有基于折纸/剪纸结构的能量收集器被应用于监测患者颈部和肩关节的运动状况。在生命医学领域，步进频率信号可用于监测患者的运动模式。折纸结构为踏板式自供电传感器和用于步态监测的鞋底都提供了设计思路。由于剪纸结构的性质和特殊的设计优势，可以使装置贴附在包括皮肤和器官表面在内的生物表面上，以达到人体监测的目的。可以预见，折纸/剪纸结构为能量收集器在医疗领域的应用提供了更多机会。

结论与未来展望

折纸/剪纸结构和能量收集技术的结合为解决传统能量收集器的固有局限性提供了一个新的思路，通过回顾目前该领域的研究现状，可以看见该传统工艺在提升能量收集器有效工作面积、拓宽频率响应范围和提升应用潜力做出的贡献。随着对能量收集技术和折纸/剪纸结构等领域研究热情的高涨，未来的研究可尝试探索以下方向，以进一步改进基于折纸/剪纸的能量收集器：

• 结构和几何设计：折纸和剪纸结构提供了多种艺术表现形式，但它们在能量收集领域中的应用仅限于简单的图形。将更复杂的折纸/剪纸结构与能量收集器相结合是一个探索不足的研究领域。未来的研究应该尝试探索受复杂设计启发的能量收集器。此外，大多数折纸和剪纸结构都可以用数学和几何关系来描述，尤其是折纸结构，因此参数研究具有巨大的潜力。研究人员应专注于通过参数化研究来优化这些结构，以提高能量收集器的效率和精度。

  
  

• 材料：折纸/剪纸结构和能量收集器的结合是一种结构创新，未来可以在材料方面尝试进行突破。能量收集器对于无线传感器网络、可穿戴电子设备以及众多其他应用领域的进步扮演着关键角色。然而，这些设备的寿命和耐用性是其实际应用及可靠性的关键因素。通过发挥折纸/剪纸结构的优势，并结合更优质的支撑材料，将显著推动能量收集器的发展与优化。

  
  

• 功能：能量收集器从折纸/剪纸结构中汲取灵感，具有许多优势。未来的研究应该更加关注这些结构的特殊性质，而不是简单地将其用作模型。此外，大多数现存的研究大多仍处于性能测试阶段，在实际应用中推广有限。弥补这一差距对于推进该领域的发展至关重要，需将研究重心从单纯的性能优化转向广泛且实用的应用策略。此外，开发和采用柔性储能解决方案，如柔性电池和超级电容器，对于增强基于折纸/剪纸技术的能量收集器在多样化实际应用场景中的适用性，具有极其重要的作用。

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文