Comsol 学习：摩擦发电仿真入门

在过去的几十年中，我们从自然环境中获取能源一直在吸引广泛的研究努力，以满足世界范围内的能源需求。机械能如果能被有效地利用，不仅能对全球电力需求做出重大贡献，而且还能作为移动电子设备的一种独立和可持续的能源。摩擦起电是我们日常生活中经常遇到的一种物理现象，无论是梳头、穿衣还是走路、开车时都时常会遇到。但是，摩擦电很难被收集和利用，因此它的价值往往被人们所忽视。然而近年来，摩擦电纳米发电机以其高效、低成本、鲁棒性可靠、环境友好等优点被作为一种前所未有的技术而被看好。2014年在Advanced Materials期刊上研究人员利用仿真论证了摩擦电纳米发电机理论模型。

摩擦电纳米发电机的发电原理是在其内部电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移，从而在二者之间形成电势差。在其外部电路中，电子在电势差驱动下，在分别粘贴在摩擦电材料层背面的两个电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦电纳米发电机的需求非常广泛，例如给主动感知的机器人供电。各种主动感知和响应的软机器人都是通过自供电的主动摩擦电动机器人皮肤来实现的，这种皮肤在低压环境下具有良好的拉伸性和灵敏度（如图2所示）。驱动能量来源于一种自然的摩擦电效应，涉及接触电和静电感应的协同作用。这种皮肤与软致动器的完美结合，使软机器人能够执行各种主动感知和交互任务，包括主动感知肌肉运动、工作状态、纺织品的湿度，甚至是微妙的人类生理信号。

类似于以上两篇文章中对于摩擦发电的仿真研究，可以利用COMSOL Multiphysics来实现。该款大型的高级数值仿真软件可以在一个模型中添加多个研究来实现对于不同数据的处理。利用该软件对摩擦电纳米发电机进行建模，可以得到电极表面电势的分布，电压输出与距离的关系以及电极电荷量与距离的关系（如图1 b、c、d，图2）。下面做一下利用COMSOL Multiphysics对摩擦电纳米发电机模型进行仿真研究。

01 新建模型向导

从文件菜单中选择新建。在新建窗口中， 单击模型向导。在模型向导窗口中， 单击二维。在选择物理场树中选择 AC/DC> 静电 (es)。单击添加。单击研究。在选择研究树中选择预设研究，点击稳态。单击完成。

02 全局定义

首先设置参数，在模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1。在参数的设置窗口中， 定位到参数栏。在名称一栏中填入“ds”。在表达式一栏中填入“1[mm]”。