2026-01-07
跟着IOT技能及集成电路技能的成长，电子装备的集成化愈来愈高，运用也愈来愈广泛。然而，电源问标题问题前仍旧是困扰电子装备运用的一浩劫点。针对于可穿着装备、微型传感器等，今朝凡是采用电池供电，其往往存于电池寿命有限需按期改换以和情况污染等问题。是以，振动能量收罗技能应运而生，其可经由过程收罗情况中的振动能量，为传感装备供电以替换或者延伸电池利用寿命，最近几年来遭到广泛存眷。
然而，当前振动能量收罗器于现实运用中仍旧面对于人体运动等广泛存于的低频振动下事情效率欠安、利用场景缺少等问题，其年夜范围现实运用仍旧存于障碍。基在此，汪飞副传授领导团队，开发超低频振动能量收罗器，实现了一系列自供能体系运用。其研究结果有望推进自供能技能的进一步落地。
运用在聪明都会地下管道的自供能无线传感网
图1. A基在二阶升频的超低频振动能量收罗器与自供能无线传感网；B能量收罗器布局图
因为人口的快速增加及都会化的快速成长，都会变患上愈来愈繁杂，地下管网也愈来愈密集，利用年夜范围无线传感网对于地下管道内部举行传感监测是构建聪明都会体系的有用要领。然而，密封的管道内部供电问题是拦阻无线传感网布设的重要限定之一。针对于该问题，团队立异性提出一种二阶升频道理，开发了一种高效超低频振动能量收罗器。该能量收罗器的振动俘获部门及动能发电部门别离位在管道双侧，经由过程磁铁耦合的方式非接触式通报能量，解决了密封管道内部没法接供电的问题；经由过程螺杆驱动放年夜及磁铁拨动耦合的二阶升频机理，将人体的超低频振动频率放年夜数千倍，解决了能量收罗器于低频振动效率欠安的问题，乐成实现了管道内的自供能无线传感节点供电运用。相干事情以“Vibration energy harvester with double frequency-up conversion mechanism for self-powered sensing system in smart city”为标题已经经被Nano Energy[1]杂志吸收。南科年夜深港微电子学院校长卓着博士后罗安信为文章第一作者，博士生徐玮含为配合第一作者，汪飞传授为通信作者，新加坡国立年夜学李正国为配合通信作者，南科年夜为第一通信单元。
自供能可穿着装备及自供能车速传感器
图2. A自供能可穿着装备；B自供能车速传感器
除了了自供能传感网，可穿着装备最近几年来成长也如井喷之势，它可以实现对于人体康健状况的监测。可是“一天一充”的要求也困扰着年夜大都消费者。基在此，团队首创了一种惯性扭转的超低频振动能量收罗器布局，其将人体的超低频运动转换成高速扭转运动，并于振动间隙连结惯性动弹连续输出能量，可对于人体运动能量举行高效收罗，实现了能量收罗器输出功率从nW级到mW级的奔腾晋升。基在电磁发电道理，其峰值电机转换效率可达97.2%，将器件安装于鞋底，于人体跑步环境下可输出平均发电功率85 mW，足以为可穿着装备提供能源。此外，基在该器件输出电压峰值与挤压速率的线性瓜葛，该器件还有乐成运用在建造自供能车速传感器。相干结果以“An inertial rotary energy harvester for vibrations at ultra-low frequency with high energy conversion efficiency”为题发表于Applied Energy[2]杂志上，同时被美国物理学会AIP SciLight作为科普新闻报导，评论员称“该器件有望广泛运用在情况监测、温湿度传感、运动跟踪等一系列低功耗电子器件”。南科年夜深港微电子学院校长卓着博士后罗安信为本文第一作者，汪飞传授为本文的通信作者。南科年夜为本文独一通信单元。本文还有获得了来自澳门年夜学路延传授及来自西安电子科技年夜学的樊康旗传授的互助引导。
人工智能加强的自供能运动监测手杖
图3. A人工智能加强的自供能运动监测手杖运用在老年人颠仆检测、身份辨认、情况传感等；B 自供能手杖的焦点布局示用意
针对于老龄化社会的到来，团队进一步开发了一种由超低频人体运动驱动的自供强人工智能拐杖，来帮忙老年人及运动障碍人士的一样平常糊口。该能量收罗器由电磁发电与磨擦电传感阵列构成。电磁发电部门经由过程手杖与地面的挤压收罗能量供应整个自供能体系利用。而磨擦电阵列则由上，中，下，左，右五个像素构成。经由过程对于五个位置传感旌旗灯号的监测，并引入年夜量数据集举行深度进修及利用能量收罗布局，该装配可以或许实现身份辨认、步态异样监测、运动状况监测及自供能物联网传感功效。经由过程引入定位功效，借助深度进修，监控体系可以辨认用户身份、及时运动状况及响应位置，可以于户外情况中为老年人及运动障碍者提供周全的照顾护士。一旦发明变乱，医务职员将可以或许长途跟踪康健状态并提供和时帮忙，对于在行将到来的老龄化社会具备极年夜的社会价值。相干事情以“Artificial intelligence-enabled caregiving walking stick powered by ultra-low frequency human motion”发表于ACS Nano[3]上并获得社会媒体广泛报导，还有得到腾讯“银发”试验室存眷。本研究由南边科技年夜学及新加坡国立年夜学互助开展，新加坡国立年夜学李正国传授为通信作者，南边科技年夜学汪飞传授为配合通信作者，南边科技年夜学深港微电子学院校长卓着博士后罗安信为配合第一作者，南科年夜为配合通信单元。
自供能体系成长的形势今朝正方兴日盛。2022年，首届中国传感器与运用技能年夜会于深圳市光亮区隆重进行。会上，工信部电子元器件行业成长研究中央总工程师、中国传感器与物联网财产同盟副理事长郭源生于大旨演讲中提到，国际传感器的成长年夜致有四个趋向，此中之一为“能量捕获技能（微能量获取技能）”。信赖于科研事情者的努力下，将来自供能体系将会于糊口中获得广泛运用。
论文链接：
[1] https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108030
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261920312496
[3] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c04464?cookieSet=1
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