近幾年，由于受全球氣候異常變化、人類活動(dòng)頻繁等因素的影響，森林大火出現(xiàn)的頻率有迅速增加的趨勢，這對地球生態(tài)環(huán)境和人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。如果能在火情出現(xiàn)的早期階段及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)告森林火災(zāi)出現(xiàn)的具體位置和狀況，將有助于消防人員及時(shí)采取措施，最大限度降低森林火災(zāi)的蔓延，從而避免造成巨大生態(tài)破壞和生命財(cái)產(chǎn)損失。
目前，主要的森林防火措施仍舊以地面巡邏、監(jiān)視塔、衛(wèi)星監(jiān)控等為主。這些方法，需要巨大投入（財(cái)力、物力、人力）但卻收效有限，在實(shí)踐中取得效果并不理想。最近發(fā)生在澳洲、北美和南美的延綿數(shù)月的森林大火就是明證。因此，開發(fā)智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測變得十分重要。近來，許多智能傳感器已被用于森林火災(zāi)監(jiān)測。
然而，大多數(shù)火災(zāi)傳感器系統(tǒng)需要輔以電池來工作，不僅監(jiān)測時(shí)間有限、維護(hù)成本高，還可能產(chǎn)生潛在的環(huán)境危害。因此，如何實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境中的自供能監(jiān)測系統(tǒng)變得尤為迫切。雖然太陽能電池技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但由于樹木植被覆蓋，太陽能電池很難在森林環(huán)境中發(fā)揮作用。摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）作為一種全新的能源收集技術(shù)，具有質(zhì)量輕、造價(jià)低、制備簡單等特點(diǎn)，可以有效地將環(huán)境與人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能。迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)制造出各種具有不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇的TENG，用于收集周圍環(huán)境中的機(jī)械能（振動(dòng)、風(fēng)、雨滴和海浪等），但尚未在森林環(huán)境應(yīng)用中受到足夠重視。
近日，美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(Multilayered cylindrical Triboelectric nanogenerator, MC-TENG)來實(shí)現(xiàn)高性能的樹枝振動(dòng)能量收集，使其可以用于森林環(huán)境條件下火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的供能裝置。該設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)摩擦起電模式，由兩個(gè)彈性連接的固定和滑動(dòng)套層組成。
微風(fēng)吹動(dòng)樹枝晃動(dòng)，而引起的樹枝的微小搖動(dòng)可以被TENG有效收集轉(zhuǎn)化成電能，并存儲(chǔ)到集成的微超級(jí)電容器中來為火災(zāi)傳感器供電。在該項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)成員對套層結(jié)構(gòu)、層數(shù)、振幅和頻率、振動(dòng)方向和懸掛高度等參數(shù)進(jìn)項(xiàng)了優(yōu)化。結(jié)果表明，該MC-TENG可以有效的收集樹枝振動(dòng)的能量，其平均輸出功率可達(dá)1.2 mW，因此可以長時(shí)間驅(qū)動(dòng)溫度傳感器和一氧化碳傳感器連續(xù)工作。該項(xiàng)研究為發(fā)展新型的便攜式和可持續(xù)的森林火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)提供了新的思路和方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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以上相關(guān)成果發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。論文第一作者為美國密歇根州立大學(xué)博士后逄堯堃博士，通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長勇教授。密歇根州立大學(xué)Yiming Deng教授、Andre Benard教授和Nizar Lajnef教授等為論文共同作者。
參考文獻(xiàn)：
Yaokun Pang, Shoue Chen, Junchi An, Keliang Wang, Yiming Deng, Andre Benard, Nizar Lajnef, Changyong Cao*. Multilayered Cylindrical Triboelectric Nanogenerator to Harvest Kinetic Energy of Tree Branches for Monitoring Environment Condition and Forest Fire, Advanced Functional Materials, 202003598, 2020.
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003598
相關(guān)鏈接：
https://www.advancedsciencenews.com/self-powered-forest-fire-detection/
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200624151532.htm
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