近幾年，由于受全球氣候異常變化、人類活動頻繁等因素的影響，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)的早期階段及時準確的報告森林火災出現(xiàn)的具體位置和狀況，將有助于消防人員及時采取措施，最大限度降低森林火災的蔓延，從而避免造成巨大生態(tài)破壞和生命財產(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（財力、物力、人力）但卻收效有限，在實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)智能火災監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)大范圍的實時監(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監(jiān)測。
然而，大多數(shù)火災傳感器系統(tǒng)需要輔以電池來工作，不僅監(jiān)測時間有限、維護成本高，還可能產(chǎn)生潛在的環(huán)境危害。因此，如何實現(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（TENG）作為一種全新的能源收集技術，具有質(zhì)量輕、造價低、制備簡單等特點，可以有效地將環(huán)境與人體運動產(chǎn)生的機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。迄今為止，科學家們已經(jīng)制造出各種具有不同結(jié)構(gòu)設計和材料選擇的TENG，用于收集周圍環(huán)境中的機械能（振動、風、雨滴和海浪等），但尚未在森林環(huán)境應用中受到足夠重視。
近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊開發(fā)了一種多層筒狀結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(Multilayered cylindrical Triboelectric nanogenerator, MC-TENG)來實現(xiàn)高性能的樹枝振動能量收集，使其可以用于森林環(huán)境條件下火災報警系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的供能裝置。該設計采用滑動摩擦起電模式，由兩個彈性連接的固定和滑動套層組成。
微風吹動樹枝晃動，而引起的樹枝的微小搖動可以被TENG有效收集轉(zhuǎn)化成電能，并存儲到集成的微超級電容器中來為火災傳感器供電。在該項研究中，團隊成員對套層結(jié)構(gòu)、層數(shù)、振幅和頻率、振動方向和懸掛高度等參數(shù)進項了優(yōu)化。結(jié)果表明，該MC-TENG可以有效的收集樹枝振動的能量，其平均輸出功率可達1.2 mW，因此可以長時間驅(qū)動溫度傳感器和一氧化碳傳感器連續(xù)工作。該項研究為發(fā)展新型的便攜式和可持續(xù)的森林火災警報系統(tǒng)提供了新的思路和方法，具有廣闊的應用前景。
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以上相關成果發(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博士后逄堯堃博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授。密歇根州立大學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：
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
相關鏈接：
https://www.advancedsciencenews.com/self-powered-forest-fire-detection/
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200624151532.htm
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