北理工马小霞&浙师大王英廷等综述：军用摩擦电纳米发电机的近期进展与关键挑战

Triboelectric Nanogenerators in Military: Recent Progress and Critical Challenges

Changcheng Bao, Xiaoxia Ma*, Min He, Li Yang & Yingting Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 396

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02221-9

本文亮点

1. 面向军事需求，系统梳理TENG在多尺度军事平台中的应用进展：本文对摩擦电纳米发电机的最新进展进行了系统性回顾，涵盖多个军事平台，包括单兵系统、无人作战平台、战略装备及特殊战术场景。

2. 揭示TENG在军事装备功能集成中的独特优势：本文重点强调了摩擦电纳米发电机在结构-功能集成、极端环境稳健性以及自供能与传感协同满足军事需求的核心优势。

3. 从工程化视角分析关键瓶颈与发展方向：本文分析了TENG面向军事部署时面临的关键工程瓶颈，并提出了前瞻性方向(如物理层加密、军事物联网自供能)以加速实际部署。

研究背景

现代战争正加速向信息化、智能化、无人化和分布式方向演进。单兵智能终端、无人作战平台、高精度装备、深海与深空探测系统以及分布式战场传感网络，对能源自主供给和实时状态感知提出了更高要求。然而，传统供能与传感体系在复杂战场环境下仍存在明显短板：化学电池在低温、潮湿、冲击及长期服役条件下容易衰减，维护困难且补给压力大；有线供电受限于机动性、隐蔽性和部署灵活性；而传统传感器依赖外部电源，在强振动、强电磁干扰、极端温差和复杂环境中容易出现信号漂移或失效，难以满足现代军事装备对轻量化、隐蔽化、柔性化及高可靠性的多重要求。

摩擦电纳米发电机(TENG)在这一背景下展现出独特价值。TENG基于接触起电和静电感应，可高效响应低频、随机、分散的机械刺激，将人体运动、装备振动、气流、水流及冲击能直接转化为电能或电信号，实现自供能与主动感知。更重要的是，TENG材料选择广、结构轻薄柔性、易与织物、表皮或结构件集成，与现代军事装备的功能集成、隐蔽化和轻量化需求高度契合。因此，TENG不仅是能量采集器件，更可成为未来自驱动智能军事系统中的能量与信息之间的接口，重塑国防能源与感知体系。

内容简介

现代军事装备正加速向信息化、智能化、无人化和分布式方向发展，单兵智能终端、无人作战平台、战略装备以及分布式战场传感网络对自主供能和实时感知提出了更高要求。然而，传统化学电池存在低温衰减、维护困难、补给压力大等问题，外接供电和常规传感系统也难以适应复杂战场环境下对轻量化、隐蔽化、长时续航和高可靠性的需求。TENG能够将人体运动、装备振动、气流、水流、冲击和摩擦等战场环境中广泛存在的低频机械能转化为电能或传感信号，在自供能传感、能量采集和结构功能一体化方面展现出重要潜力。基于此，北京理工大学马小霞课题组与浙江师范大学王英廷课题组合作，对摩擦电纳米发电机在军事领域中的应用提供了全面的总结与评述。

鉴于TENG在重塑国防能源与传感系统方面的巨大潜力，北京理工大学马小霞&浙江师范大学王英廷等人系统回顾了其在现代军事领域中的最新进展与演变趋势。尽管近年来已有相关综述探讨TENG技术，但多数工作主要聚焦于基础机理、通用自供能传感器或民用可穿戴电子器件；当军事应用被提及时，也常被作为民用技术的延伸进行简要讨论，缺乏对真实作战环境中严苛工程需求的系统分析。为弥合这一关键空白，本文引入高度交叉的分析框架，并从军事工程应用视角出发，围绕军事平台尺度递进关系系统组织相关应用，涵盖单兵作战平台、无人作战平台、战略装备平台及特殊战术场景。通过这种以平台为中心的综述方式，文章将TENG的材料特性、器件结构和自供能机制与关键战场瓶颈相对应，重点阐明其在电磁隐身兼容、物理层信息安全、极端环境稳健运行和分布式自驱动感知方面的潜在价值。同时，本文也对当前制约TENG军事应用的阻抗匹配、能量管理、环境可靠性、规模化制造和标准化验证等工程瓶颈进行了辩证分析，并提出面向下一代自供能防御架构的务实发展路线。

图文导读

I TENG赋能下一代军事系统

图1展示了TENG赋能下一代防务系统的整体布局。未来军事装备不再只是被动执行任务的机械平台，而是逐渐演变为集感知、判断、通信和响应于一体的智能系统。在这一过程中，分布式节点的能源自治和状态感知能力成为关键瓶颈。

TENG的价值正在于它能够将战场环境中原本被浪费的机械能转化为可用电能或状态信号。例如，单兵运动可驱动可穿戴传感器，装备振动可反映结构健康状态，水流扰动可用于水下被动感知，气动振动可辅助无人机状态监测。通过这种方式，TENG将“环境扰动”转化为“可用信息”，为未来军事装备提供了一种低功耗、轻量化和高度隐蔽的技术方案。

图1. 具备TENG功能的下一代防御系统的战略布局。

II Maxwell位移电流理论揭示TENG的物理基础

图2从Maxwell方程出发，说明了静止介质与运动带电介质中的电磁关系差异。TENG的输出本质上来源于接触起电产生的表面电荷，以及介质在外界机械作用下发生相对运动或形变时引起的位移电流变化。这一理论基础解释了为什么TENG能够在低频、非周期和随机机械刺激下产生电信号。对于军事场景而言，这一点尤为重要。战场中的机械能往往不是稳定旋转或高频振动，而是人体动作、车辆颠簸、装备冲击、水流扰动和气动颤振等复杂输入。TENG基于极化驱动的位移电流机制，天然适合捕捉这类分散且不规则的能量与状态信息，为自供能传感和被动感知提供了物理基础。

图2. 静止介质与运动带电介质的麦克斯韦方程比较。

III 五种工作模式：从基础机理到军事场景适配

图3总结了TENG的五种典型工作模式，包括接触—分离模式、滑动模式、单电极模式、独立层模式和滚动模式。不同模式具有不同的结构特征、输出方式和适用场景，是TENG面向军事装备应用时进行器件设计和平台适配的基础。接触—分离模式结构简单、瞬时输出高，适合冲击、按压和振动感知；滑动模式适用于平面相对运动和滑动部件监测；单电极模式布线简单、自由度高，适合可穿戴传感和人机交互；独立层模式具有较低磨损，适合旋转、摆动和长寿命运行场景；滚动模式通过点接触和滚动摩擦降低磨损，在轮式平台、旋转结构、无人潜航器和深空探测设备中具有应用潜力。该图说明，TENG的军事应用并不是简单地将器件放入装备中，而是需要根据机械输入、结构空间、信号需求和环境条件进行模式匹配。

图3. TENG的五种工作模式。

IV TENG用于物理层信息安全

图 4 展示了TENG在信息安全中的代表性应用，包括基于智能鼠标的行为身份认证、柔性摩尔斯码交互、视觉触觉显示和瞬态可降解电子标签等。在高度数字化战场中，信息安全和身份认证直接影响作战系统可靠性。传统密码、指纹识别或面部识别主要依赖软件算法或静态生物特征，存在被复制、窃取或破解的风险，而 TENG 提供了一种硬件层面的动态安全思路。由于TENG输出信号与材料表面状态、接触方式、按压力度、动作节奏和个体操作习惯密切相关，其电信号具有天然的动态特征和不可简单复制性。利用这些由接触起电产生的非线性物理信号，可构建物理层动态密钥或自驱动身份认证接口。该图体现了TENG从能量器件向硬件安全接口的拓展，也展示了其在战场终端、隐蔽通信和信息防护中的潜在价值。

图4. TENG用于信息安全。a 一个结合嵌入式智能鼠标、摩擦电传感器和机器学习方法的安全验证系统。b 基于图案共面电极和W-ELD加密信息的器件结构演示。c 用于双模识别的视觉交互式触觉显示(ITD)。d 智能电子标签上的信息在其工作周期内自毁。

V TENG赋能单兵可穿戴装备

图5聚焦单兵可穿戴装备中的TENG应用。未来单兵系统需要同时承担防护、通信、定位、健康监测、环境感知和人机交互等功能，但电子负载增加会带来重量上升、续航不足和维护困难等问题。TENG可直接集成于织物、手套、防护层或柔性界面中，将人体运动、关节弯曲、触摸按压和装备摩擦转化为电能或传感信号。图中展示的研究涵盖超疏水织物、石墨烯功能防护服、芳纶基耐高温材料以及多功能复合织物等方向。它们共同说明，未来军用织物不再只是被动防护材料，而可能成为兼具能量采集、环境感知、战术交互和状态监测能力的智能界面。TENG的关键优势不仅在于能发电，更在于让柔性结构本身具备主动感知能力。

图5. TENG用于可穿戴设备。a 一种由氟烷基硅烷改进的纺织个人能源管理装置。b 墨烯多功能防护织物的示意图。c 各向异性结构摩擦电气凝胶的制备与功能设计示意图。d 一种多功能可穿戴蜘蛛丝灵感面料，适合极端环境下的个人防护。e 复合材料泡沫作为可穿戴的军用服，具有多功能应用。

VI TENG用于战术人机交互

图6展示了TENG在战术人机交互中的应用。对于无人机控制、机器人协同和战场静默指令传输而言，传统按键、触屏或主动电子传感器容易受到电源、布线和环境干扰限制。TENG可利用触摸、滑动、弯曲和按压等动作直接产生电信号，为低功耗甚至无外部电源的人机交互提供新方案。相关研究表明，TENG可构建柔性触控板、智能手套、电子皮肤和动作识别界面，用于识别手势、控制无人平台或实现战术指令输入。与传统交互设备相比，TENG交互界面更轻薄柔性，易与单兵装备融合，并可在静默状态下进行动作识别和信号传输。这使其有望成为未来士兵、无人装备和智能系统之间的自驱动交互接口。

图6. TENG用于人机交互。a 基于TENG两种配置的手套式HMI极简设计。b 基于RLC电路的无线TENG系统用于VR中的汽车控制和无人机控制。c BHES作为人机交互接口的应用场景。d 可伸缩的摩擦电触控板结构和智能人机交互系统一种。e PSP-TENG集成于智能手套及其面对面识别和无人机控制场景中。f 通过CQAS/ZnO薄膜实现人机智能，推动无人机的发展。g MXTENG-RFS的设计与概念插图。

VII TENG支撑水下无人平台的隐蔽感知

图7重点展示了TENG在水下无人作战平台中的应用。水下环境中能源补给困难，主动声呐等探测方式又容易暴露目标，因此低功耗、被动式和自驱动感知技术具有重要意义。TENG可将水流扰动、振动、压力变化和推进结构运动转化为电信号，用于水下流场感知、振动定位和仿生运动监测。部分TENG器件借鉴鱼类侧线系统、须状传感结构或仿生尾鳍设计，可实现对水流方向、振动位置和运动状态的识别。与主动探测方式相比，这类自驱动传感器无需持续外部供电，也不主动发射强信号，更适合无人潜航器、水下机器人和隐蔽侦察平台的长期静默运行。

图7. TENG用于水下隐秘行动。a 自供电角度解析摩擦电纳米发电机。b 一种仿生水下摩擦电须传感器阵列。c 自供能的超声源定位与轨迹跟踪系统的示意图，集成了部署在海洋中的多台MTAS单元。d 仿生尾鳍传感器的工作原理、结构及应用可伸缩的摩擦电触控板结构和智能人机交互系统一种。

VIII TENG用于空中无人平台的能量采集与状态监测

图8展示了TENG在空中无人平台中的应用，包括旋翼转动监测、无人机电机振动预警、气动颤振感知和机翼结构状态监测等。无人机平台对轻量化和续航能力要求极高，而电机、旋翼和机翼等部件在运行过程中会产生丰富的机械振动和气动扰动，为TENG提供了可利用的能量与信息来源。在这些应用中，TENG 通常不作为无人机的主动力电源，而更适合作为低功耗传感节点或辅助供能单元。它可以实时感知电机振动、旋转速度、叶片异常和气动状态，为无人机健康监测和早期故障预警提供信号来源。这种自驱动监测方式有助于降低传感系统对电池和复杂布线的依赖，提升无人平台的可靠性和任务持续能力。

图8. TENG用于水下隐秘行动。a 无人机的TENG图。一种自供能陀螺角度感测系统。b AW-TENG的结构与应用。c BOW-TENG的结构设计与应。d WSD-TENG的结构设计与应用。e 基于摩擦电传感器的无人机叶片损伤监测系统。

IX TENG 用于航空航天结构监测

图9聚焦TENG在航空航天战略装备中的结构监测应用。航空航天装备内部存在大量狭窄、复杂且难以布线的结构空间，例如发动机部件、轴承系统、飞轮组件和关键连接界面。传统有源传感器受到体积、线缆、供电和安装空间限制，难以在这些位置实现长期原位监测。TENG具有轻薄、柔性、可嵌入和自供能等特点，可作为智能垫片或薄膜传感器集成于关键结构中，用于捕捉微小振动、摩擦、滑移、转速和早期损伤信号。例如，超薄TENG可嵌入飞轮轴承间隙中，监测微尺度涡动和滑移特征，而不显著增加结构质量或影响系统动态平衡。这类研究说明，TENG有望为高价值航空航天装备提供被动、原位和早期化的健康监测方案。

图9. TENG用于设备监测。a 多通道自供能传感器的设计图和工作示意图。b TPPC的结构设计与操作机。c HTVRG的应用前景与结。d 可扩展自挂/组装机器人集群系统的示意图。e BMWS在暗环境中卫星表面特征采集的应用。f 坚固但灵活的FR-TENG阵列的设计与理念灵感来自六边形和穿山甲。g 轴承型CL-TENG的应用背景与结构。

X TENG服务行星探测与深空环境适应

图10展示了TENG在行星探测中的应用。月球、火星等深空环境具有强温差、高辐射、低气压和频繁沙尘等特点，传统太阳能电池容易受到沙尘覆盖影响，放射性同位素电源又存在质量、成本和环境风险等问题。因此，深空探测任务迫切需要更轻量、耐久且可自供能的感知与辅助能源技术。TENG可利用沙尘颗粒运动、机械接触、结构振动和表面电荷效应实现能量采集、状态感知或自驱动除尘。例如，柔性自感知/自修复降落伞系统可适应火星沙尘环境，TENG除尘结构可帮助缓解粉尘沉积对太阳能板的影响。这些研究表明，TENG的价值不仅在于补充能源，更在于通过材料、结构和环境的协同设计，提高深空探测装备的长期运行韧性。

图10. TENG用于行星探测。a 火星和地球的环境及预期性。b 灵活自我感知/修复降落伞系统的示意。c FPS-TENG除尘原理图及应用。

XI TENG用于特殊战术场景的事件触发记录

图11展示了TENG在特殊战术场景中的事件触发式感知应用，包括高g冲击传感、着陆冲击监测和智能靶场识别等。与连续供电型传感器不同，这类场景更关注瞬态事件的发生、强度、位置和时间信息。TENG对冲击、接触和穿透等机械事件高度敏感，因此非常适合作为被动事件记录器件。例如，微型TENG高g加速度传感器可在强冲击条件下记录加速度信息；集成于智能伞靴中的TENG可监测着陆过程中的冲击分布和姿态变化；柔性双层TENG阵列可通过子弹穿透两层薄膜时产生的纳秒级时间差，计算弹丸速度、落点坐标和入射角，并识别多弹孔情况。该图体现了TENG从能量采集器件向高灵敏事件传感器的拓展，为装备损伤评估、训练反馈和战场状态感知提供了新的思路。

图11. TENG用于其他应用。a 一种自供能加速度计的设计。b 未来空降部队可穿戴TENG设备集成示意。c 一套集成智能目标报告和弹道分析的多功能撞击感测系统。

XII TENG 军事应用面临的关键挑战与应对策略

图12总结了TENG从实验室器件走向军事工程应用时面临的主要挑战。尽管TENG具有自供能、高灵敏、柔性集成等优势，但其高内阻、脉冲交流输出和低电流特征，会导致其与常规低阻抗电子设备之间存在明显阻抗失配。同时，湿度、磨损、污染、温度循环和电磁干扰等复杂环境因素也会影响器件输出稳定性和长期可靠性。针对这些问题，未来需要从材料、结构、电路和系统多层面协同优化。一方面，应发展耐湿、耐磨、耐高低温、抗污染和可自修复的摩擦材料与封装策略；另一方面，需要构建面向TENG高阻抗和脉冲输出特性的能量管理电路、信号调理模块和储能单元。此外，军事应用还要求器件通过长期环境适应性测试、电磁兼容测试和标准化验证，才能真正从概念验证走向实战化部署。

图12. TENG在军事领域的挑战与策略。

XIII TENG 面向未来军事应用的发展方向

图13展望了TENG在军事领域的未来发展方向。随着自驱动传感、边缘计算、无线通信、人工智能和物理层加密技术的发展，TENG有望从单个能量采集或传感器件，进一步演变为自供能、自感知、自识别和自保护的智能节点。

图13. TENG在军事领域的未来展望。

XIV 总结

本文系统综述了摩擦电纳米发电机在军事领域的研究进展与关键挑战。TENG凭借低频能量采集能力、自驱动感知特性、材料选择广泛、结构柔性轻量和易于集成等优势，为突破未来军事装备在能源续航、隐蔽感知和分布式智能方面的瓶颈提供了新思路。

从单兵智能装备到无人作战平台，从航空航天结构监测到深空探测，从战场信息安全到特殊事件记录，TENG正在从传统的能量采集器件发展为一种具有战略潜力的自驱动智能技术。然而，要真正实现军事工程应用，还需要进一步解决可靠性、功率管理、环境适应性、规模化制造和标准化验证等问题。

总体而言，TENG为未来自驱动军事智能系统提供了一条兼具科学创新性和工程应用前景的新路径。随着材料设计、结构集成、电路管理和实场验证的持续推进，TENG有望在下一代智能军事防务装备中发挥更加重要的作用。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc.)，包括微纳米材料与结构的合成、表征、性能及其在能源、催化、环境、传感、人工智能、电磁波吸收与屏蔽、健康监测、生物医药等领域的应用研究及高水平综述。期刊已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2025 JCR IF=38.5，学科排名Q1区前1.5%。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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