港科广胡国标团队Joule:一次轻触,唤醒无源物联! | Cell Press论文
物质科学
Physical science
2026年3月11日，香港科技大学（广州）胡国标助理教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Origami-Structured Triboelectric Nanogenerator for Energy and Information Co-Harvesting from a Single Hand-Tap”的原创性论文。该研究聚焦无源（battery-free）物联网这一前沿方向。无源物联指的是不依赖电池或外部供电、完全由环境或用户行为驱动，实现感知、计算与通信的物联网系统。相比传统物联网节点，无源物联可从根本上摆脱电池更换、维护成本和寿命瓶颈，是实现大规模、长期、泛在部署的关键技术路径。
围绕这一目标，研究团队提出了一种钻石镶嵌折纸结构的摩擦纳米发电机。通过系统开展折纸运动机理建模、有效接触面积筛选以及材料界面优化，显著提升了器件在瞬态机械激励下的电学输出能力，使其在单次、低强度的人体触发行为（如一次手掌轻拍）下即可稳定产生可用于系统级供能的电能输出。在器件层突破的基础上，团队进一步从系统级无源物联架构出发，设计了微能量调控拓扑电路，并集成超低功耗蓝牙（BLE）系统级芯片，构建了一个集能量采集—能量管理—事件感知—无线通信于一体的自供能传感单元。该系统首次实现了在单次轻触条件下，能量获取与信息编码、无线发送的完整过程，无需电池、无需待机功耗。这一工作不仅展示了一种新型折纸摩擦电器件，更重要的是提出了“能量—信息协同收集（Energy & Information Co-Harvesting）”的无源物联系统级范式：将机械交互行为同时作为能量来源与信息触发源，为新一代自供能人机交互、无源传感网络及泛在智能系统提供了可推广的技术路径。
论文作者：王雅巍，郑曜孜，李逸舟，吴轶，唐浩，徐敏义，苏权科，胡国标
通讯作者：胡国标
第一单位 & 通讯单位：香港科技大学（广州）
研究背景：
物联网技术的快速发展，以及分布式传感网络在结构健康监测、环境传感和数字孪生等应用中的广泛部署，正持续推动感知节点向大规模、长期运行与免维护方向演进，使得不依赖电池或外部供电的无源物联网逐渐成为重要发展趋势。在这一背景下，可靠、高效的分布式能源解决方案成为支撑相关设备长期、免维护运行的关键基础。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）因其结构灵活、高集成度以及良好的环境适应性，被认为是极具前景的能量收集技术之一。然而，尽管过去十余年间相关研究取得了显著进展，基于TENG的自供能方案在迈向真正可用的无源物联节点时，仍面临多重瓶颈，包括器件结构与有效接触面积难以兼顾、功率输出有限且高度间歇、能量调控与负载匹配效率不足，以及缺乏面向系统级应用的可扩展集成电路架构。上述问题使得现有研究多停留在能量采集层面的性能展示，难以支撑感知、计算与通信等功能的稳定运行，从根本上制约了TENG技术从“能量采集器”向面向无源物联网应用的“可用自供能系统”的跨越。
研究亮点：
本工作提出了一种受折纸启发、采用钻石镶嵌构型的摩擦纳米发电机（Diamond-tessellated, origami-inspired triboelectric nanogenerator, DT-TENG），并以此为核心构建了一个能量–信息协同采集的自供能系统架构。作者围绕该系统开展了系统性的研究，涵盖折纸结构设计与可折性分析、理论模型构建、专用微能量调控电路开发以及实验性能评估等多个层面。通过将环境机械能采集、能量调控、信息编码与无线通信高度集成，该架构有效克服了环境能量输入间歇性带来的限制，实现了单次轻触条件下快速响应、自供能的无线事件感知。所构建的自供能系统可支持智能家居、互动电子游戏、及可穿戴传感等场景下的实时交互控制，为下一代无源（无电池）物联网及新型人机交互系统提供了模块化、可扩展的技术基础。
图1：基于DT-TENG的自供能无线感知系统架构与工作原理
本文要点：
要点一：可折叠性和有效接触面的严格验证与推导
可折性与可展性是折纸结构实现功能化应用的基础几何属性。基于已有的分析框架，作者对所提出的DT-TENG构型的可折平性进行了深入研究，并论证表明，传统折纸判据对于复杂钻石镶嵌结构的可折平性仅提供必要但不充分的判定条件。为了解决这个问题，研究采用了空间三角形模型，对具有不同扇形角度的菱形镶嵌折纸图案进行了系统的可折平性分析。该方法不仅能够判定折纸结构在不同参数条件下的可折叠边界，还可定量评估折纸运动过程中所形成的有效接触面积，从而为DT-TENG构型的优化选择提供明确、可操作的设计指导。
图2：DT-TENG的刚性可折叠性和有效面积接触面积计算
要点二：TENG单元与折纸结构的无缝集成带来显著的输出性能提升
在前述可折叠性与有效接触面积分析的基础上，作者采用柔性电路印刷技术对TENG单元与折纸结构进行了无缝集成设计，构建了DT-TENG原型器件。所得器件在保持紧凑结构的同时，展现出优异的机械柔顺性、高度可折叠性以及良好的结构完整性，为稳定、可重复的能量采集提供了可靠结构基础。进一步通过对介电层进行表面工程优化后，DT-TENG的电学输出性能得到显著提升，其峰值功率密度达到548.33 W/m³，显著优于先前报道的折纸型摩擦纳米发电机，体现了折纸结构设计与器件集成协同优化所带来的性能优势。
图3：DT-TENG的发电机理、材料选择以及界面优化
在完成对DT-TENG构型与材料体系的协同优化后，作者对其在不同折叠层数以及多种机械激励条件下的电学输出特性进行了系统评估。结果表明，该器件在广泛工况范围内均表现出稳定、可预测的输出行为。同时，得益于接触-分离工作模式与柔性电路制造工艺的引入，DT-TENG在为期7天的耐久性测试中保持了优异的输出稳定性与结构可靠性。
图4：DT-TENG的电输出性能、参数依赖特性及耐久性验证
要点三：微能量调控策略实现高效的能量提取和存储
尽管TENG能够提供较高的瞬时功率输出，其受限的输出电流及固有的高内部阻抗却显著制约了能量向外部负载的有效传递。针对这一关键瓶颈，作者采用了一种面向TENG特性的微能量抽取与调控策略，以缓解高内部阻抗对能量利用效率的不利影响，从而充分释放DT-TENG的输出潜力。实验结果表明，该能量调控策略可将系统等效内部阻抗从10 MΩ显著降低至4 kΩ，从而大幅提升能量提取效率。在此基础上，单个工作循环中被有效收集并存储至电容中的能量提高约460倍，为后续的自供能传感与无线通信提供了可靠的能量基础。
图5：DT-TENG的能量调控策略及其电路工作原理与性能验证
要点四：构建完全自供能的协同能量-信息采集系统
在DT-TENG及其微能量调控电路展现出优异性能的基础上，作者进一步集成了超低功耗蓝牙系统级芯片（Bluetooth Low Energy, BLE SoC），构建了一种完全自供能的协同能量与信息采集（Synergistic Energy and Information Harvesting, SEIH）系统。实验结果表明，仅需单次轻微敲击即可实现机械能到电能的高效转换，从而同时支撑传感任务执行与无线数据传输。所提出的SEIH系统可稳定应用于多种自供能应用场景，包括智能家居控制（如门禁与照明系统）以及事件驱动的人机交互应用。进一步地，得益于DT-TENG出色的可折叠性与整体结构柔顺性，该系统还可拓展应用于可穿戴平台，用于环境参数与人体状态的多维感知，体现了其在无源物联网与智能交互系统中的广泛应用潜力。
图6：SEIH系统演示：自供电能量-信息协同采集系统及其典型应用验证
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自供能人机交互：SEIH用于Subway Surfer游戏交互
作者介绍
王雅巍
博士研究生
王雅巍，香港科技大学（广州）物联网学域在读博士生，硕士毕业于大连海事大学。主要研究方向包括自供能物联网节点、环境能量收集技术及摩擦纳米发电技术（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）。截至目前，已发表SCI论文25篇，并以第一作者或共同第一作者身份在Joule、Nature Communications、ACS Nano、Device、Advanced Functional Materials等国际高水平期刊发表多项研究成果。
苏权科
教授
苏权科，港珠澳大桥工程总工程师、香港科技大学（广州）教授、博士生导师、首席工程师、卓越工程中心主任、全海洋动力中央实验室主任、智能交通学域实践教授，“国家卓越工程师”荣誉称号获得者。长期从事重大跨海工程与工程科技创新工作，现任第十三届全国政协委员、中国土木工程学会桥梁分会副理事长、中国公路建设行业协会沉管隧道分会副理事长、粤港澳大湾区工程师联合体副理事长等职务。曾荣获首届中国工程技术领域的最高荣誉“国家工程师奖”、以及亚太工程组织联合会工程师奖，并入选中央电视台“2017年度科技创新人物”和“第四届中国建造匠心年度人物”等。
胡国标
助理教授
胡国标，香港科技大学（广州）信息枢纽物联网学域助理教授、博士生导师。研究兴趣涵盖环境能量收集、无源物联网、弹性超材料以及智能材料结构与系统。已在本领域国际知名旗舰SCI期刊及重要国际会议上发表了150余篇同行评审论文，连续四年（2022-2025）入选由美国斯坦福大学联合爱思唯尔出版集团发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。长期担任90余种SCI期刊审稿人，并受邀担任Journal of Intelligent Material Systems and Structures、Journal of Physics D: Applied Physics和ASCE Journal of Environmental Engineering等国际知名SCI期刊客座编辑。
相关论文信息
原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Joule，
▌论文标题：
Origami-structured triboelectric nanogenerator for energy and information co-harvesting from a single hand tap
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243512600022X
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102338
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