近日，德赢官网本科生、2022级钱学森班叶子提出了一种全新的摩擦纳米发电机（TENG）全响应建模与传感框架，首次实现了零状态响应与零输入响应的协同调控，为TENG在精密传感与稳定输出领域开辟了新思路。研究成果“Full-response triboelectric nanogenerator modeling and sensing framework: Zero state and zero input in synergy”为《科学研究与创新实践》课程研究成果，发表在Cell Press旗下期刊Device上。叶子与博士生刘松恺为共同第一作者，张执南教授为通讯作者。
研究从系统角度揭示了零输入(ZIR)、零状态(ZSR)两类响应在TENG输出中的协同作用机理，建立了通用的解析模型，并通过引入空间因子γ与时间因子ε两个无量纲特征量，提炼出跨结构、跨模式的匹配原则，为实现稳定、可调且物理意义清晰的输出奠定了理论基础。
零输入ZIR与零状态ZSR响应协同控制
包含空间因子γ与时间因子ε的解析模型
研究针对传统单开关模式在外部速度、负载阻值变化时输出易波动的缺陷，提出了双开关控制策略（Mode 2），在一个运动周期内设置“复位开关”和“工作开关”两个放电区间。复位开关用于设定初始电荷量，实现对零输入响应的独立调节；工作开关则通过区间位置的选择，精确控制零状态响应的幅值与极性。该策略不仅消除了初始电压对外部条件的依赖，还使脉冲峰值和波形形态实现了量化可控，并可生成负脉冲、类方波等多种输出模式。
在运动状态监测实验中，该方法实现了对速度变化的实时响应，电压比值与速度的线性相关系数达到0.998，且对温湿度变化具有良好的鲁棒性。结合上述模型与控制方法，研究还提出了一种无需信号调理电路的电容检测方案。通过优化双开关设计，将TENG在放电区间的初始电压严格限定在10 V以内，使信号可直接接入高阻抗数据采集卡（DAQ）进行采集，避免了高压击穿和复杂电路带来的成本与稳定性问题。该方案能够覆盖宽动态范围，在三档量程下测得的电容值线性相关系数均超过0.999，测量精度可控在0.1%以内，并且独立于驱动速度，适合构建结构简洁、成本低廉、适应离网环境的自供能传感系统。
研究成果将理论建模、输出控制与简化采集三者有机结合，为摩擦纳米发电机从实验室走向工程化应用提供了可行路径，在工业实时监测、可穿戴设备及环境监测等领域具有广阔前景。研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100872
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