香港城市大学吕坚院士团队Nano Energy：仿生新型双稳态振动能量收集器

物联网技术的发展促使无线电子器件广泛应用于结构健康监测、环境监测和交通安全监测等领域。在很多情况下（例如：大量无线设备场景或偏远、危险环境），更换电池是不方便、昂贵且不环保的。而能量收集技术正好可以解决这一问题。与太阳能、风能、海洋能等常利用的清洁能源一样，振动能广泛存在于人类生活中，但却很少被收集利用。相较于其他清洁能源，振动能与人类的生产生活息息相关，往往存在于机械结构内部，具有能量密度高、易通过微机电系统收集、受天气等外界因素影响较低的特点。因此，广泛应用于便携装置和大型基础设施的振动部件上。利用压电材料将振动导致的形变能转化为电能是一种简单、有效的振动能量收集手段，常见于线性和非线性两种振动系统中。相较于线性振动能量收集器工作频率非常窄的特点，非线性振动能量收集器本身的非线性特性使得其工作频率范围广、输出能量大且转换效率高，因此很适合应用于振动频率多变的实际应用场景。

近日，香港城市大学吕坚院士课题组与杨征保副教授课题组合作，基于表面机械研磨处理（SMAT）技术制备的双稳态金属纳米材料，开发了一种仿豆荚结构的新型双稳态振动能量收集器。双稳态金属纳米材料特有的局部双稳态特征使得该能量收集器具有工作频带宽、输出电压高、结构简单、可定制设计、变形可控、安装方式灵活等优势。研究团队通过实验和模拟的方法对该振动能量收集器的吸能性能和动力学特性进行了系统性的研究。

图文导读：

图1. 仿豆荚纳米双稳态振动能量收集器

图2. 正向扫频实验下的振动能量收集性能

图3. 固定频率实验下的非线性振动特性

图4. 非线性振动特性的动力学模拟结果

本研究提出的仿生纳米双稳态振动能量收集器有望在汽车轮胎和悬架系统、铁路桥梁、飞机机翼等低频振动源中大规模分布，实现振动能收集或直接为无线传感器网络节点供电。相关论文以“Soybean-inspired nanomaterial-based broadband piezoelectric energy harvester with local bistability”为题，发表在《Nano Energy》。本文第一作者为郝凤乾博士，共同第一作者为王标博士和王旭博士，通讯作者为吕坚院士和杨征保副教授。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522009004?dgcid=coauthor

吕坚院士主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

（本文由香港城市大学吕坚院士课题组供稿。）