“摩擦生电”能成可穿戴设备续航救星吗？
可穿戴式设备(也称“穿戴式装置”)产品正夯，但是电池续航力却是可穿戴式设备市场成长的一大罩门。如果穿戴者可以随时随地为自己的装置充电，穿戴式设备就不再需要以大颗的电池来延长续航力了!如果摩擦生电奈米发电机的技术，在未来可以达到商业化的标准，一切梦想都可以成真了!
根据市场研究机构IDC的报告，在2014年，穿戴式装置(基本型及智能型)的市场出货量约1,960万台，在2015年，预估出货量将成长至4,570万台，至2019年更上看1.26亿台(图一)，而这五年的年平均复合成长率高达45.1%。
图一、IDC穿戴式装置预估出货量
如此乐观的预估，应是基于，在初期，人们对高科技产品的尝鲜及炫耀心理所建构出的消费行为，以及，以商品实用性甚至是必需品为导向的长期市场需求;而大家都很清楚的是，“实用性”才是穿戴式装置商品能够屹立不摇、生生不息的保证。
穿戴式装置的“实用性”指针，除了功能(function)之外，最为重要的就是“续航力”了。以目前最夯的Apple
Watch来说，每天晚上都得脱下来充一下电，消费者已经稍嫌麻烦了，若是24小时监测的医疗照护穿戴装置，也需要每天脱下来充电才能续用，这种东西的实用性已经被大打折扣了。
以目前的产品表现来说，电池续航力的确是穿戴式装置市场成长的一大罩门。
要提升穿戴式装置的续航力，可以从二方面着手，一是设计极低耗电的传感器、处理器、通讯模块等组件，以及优化系统的电源管理;二是改良电池技术。
相较于半导体组件设计所获得的改良进展，电池技术则面临更多的挑战。现今厂商不仅要研发出续航力超强而且体积又小的电池，最好还能让电池具备可挠的特性，以搭配各种型态的穿戴式装置;而在未来，智能型穿戴式装置的功能势必更加强大，这也意味着装置内含的组件将会越来越多，结果就是耗电量将只会增不会减，因此，电池技术就必需要有重大的突破才能未雨绸缪。
延长穿戴式装置的续航力，除了等待新电池技术的支持之外，还可以透过“改变充电的方式”让使用者“有感”，例如，具备(远距)无线充电功能的穿戴式装置，就可以在“不必脱下”的情况下随时充电，永远turn
on，但前提是需配合无线充电发射器的装设位置(如图二);若是依照“能量采集”(Energy
Harvesting)的原理，将穿戴者本身产生的动能(摆动、摩擦)转换成电能来供电，则可以随时随地将电池充饱，而且也没有充电位置的限制，因此，穿戴式装置就可以全年无休的为您服务了。
图二、远距无线充电示意图
虽然能量采集的技术仍在研究阶段，但已有令人瞩目的突破进展，例如，美国乔治亚理工学院的王中林教授(Prof. Zhong Lin
Wang)及其团队利用“摩擦生电效应”(Triboelectric Effect)，以及“静电感应”(Electrostatic
Induction)原理所设计出的摩擦生电奈米发电机(Triboelectric
Nanogenerator;TENG)就是很好的例子，该团队在此研究议题上所获得的成果，已将单位面积发电密度(Area Power
Density)提升到1,200 W/m2，能量转换效率(Energy Conversion
Efficiency)也高达50%~80%，所提供的电量甚至可以点亮1,000颗绿光LED组件(如图三)。
图三、用鞋子撞击地板上的奈米发电机，产生的电量可以点亮1,000颗LED。
TENG不但牵涉到电学原理，更包含材料、化学、奈米技术。它的输出表现可以透过多种方法增强，包括材料选择、薄膜表面纹理形貌以及奈米化合物结构。
可运用的材质除了金属之外，还有聚酸甲酯(polymethylmethacrylate;PMMA;压克力)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene;PTFE;铁氟龙)
、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane;PDMS) 、聚酰亚胺薄膜(Kapton thin film)、氧化铟锡(indium tin
oxide;ITO)及聚酯(polyester;PET)等等，差别在于，不同的材质会有不同的饱和摩擦电荷密度。
“能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的图案增加了片材的接触面积，产生的电力可以有上千倍的差异”，所以为了增加接触面积，薄膜表面通常会设计成密布的锯齿、颗粒或长刷状等等。
TENG在2012年初发表后，经过不断的研究，已有数种不同的结构体态设计(图四)，其单位面积发电密度(Area Power
Density)在短短一年后就由3.67mW/m2上升到313W/m2(图五)，进步幅度惊人。
图四、各式TENG结构
图五、TENG电源密度进展
TENG有四种基本的操作模式(图六)，第一种为垂直接触-分离模式(Vertical Contact-Separation
Mode)，这是最早研发出的奈米发电机。两层薄膜在重复摩擦与分开的动作之际，可以产生交流电，图七为操作步骤。
图六、TENG的四种基本的操作模式
图七、垂直接触-分离模式
第二种为滑动模式(Lateral Sliding Mode)，周期性的滑动也可以产生交流输出，而且可以设计为平面滑动(planar
motion)、圆柱旋转(cylindrical rotation)或是平盘旋转(disc rotation)，图八为操作步骤。
图八、滑动模式
第三种为单电极模式(Single-Electrode
Mode)，与上述二种模式的差别在于只有下层薄膜接负载，而上层薄膜则是自由上下移动的，所以此种模式可用于例如以指尖滑动摩擦生电的应用，图九为操作步骤。
图九、单电极模式
第四种为独立摩擦层模式(Freestanding triboelectric-layer
mode)，见图六(d)，与上述三种操作模式最大的区别在于上狼蚁网站SEO优化板是不接触的，因此可以降低两层薄膜接触面的磨损率。
在当初开始研究TENG时，其目标就是为了要对传感器网络中的小型电子组件提供电源，而研发至今，已证实摩擦生电奈米发电机不仅能攫取小尺度的能量，也能收集大规模的能量，例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。
在2013年，王中林教授团队于ACS NANO期刊发表论文"Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators
for Harvesting Biomechanical Energy and as Self- Powered Active Tactile Sensor
System"(图十)，将TENG置于人体皮肤之上，然后收集TENG与皮肤摩擦之后产生的电力，如此采集到的生物机械能可以点亮数十颗绿光LED，而这也让人体自我发电并供电给行动装置的实现可能性大幅上升。
图十、与皮肤摩擦的TENG
新加坡国立大学在2015年1月于IEEE MEMS 2015研讨会上，发表论文"Skin Based Flexible Triboelectric
Nanogenerators with Motion Sensing