信息技術(shù)的飛速發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)(IoTs)技術(shù)得到了更加深入的研究，由海量低功耗電子元器件構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)互通智慧城市的重要組成部分。將環(huán)境中廣泛且隨機(jī)分布的磁場(chǎng)能、機(jī)械振動(dòng)能等各種可再生清潔微能源轉(zhuǎn)化為電能以供電子傳感器件工作，將為真正的分布式智能傳感鋪平道路?，F(xiàn)實(shí)中充滿了來(lái)自于現(xiàn)代電網(wǎng)的時(shí)變復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境，基于磁扭力效應(yīng)和壓電效應(yīng)的磁-機(jī)-電能量采集器能夠同時(shí)俘獲環(huán)境中的磁場(chǎng)能和振動(dòng)能，成為當(dāng)前微能源器件研究重點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的懸臂梁等結(jié)構(gòu)一旦固定，僅能在特定方向感知采集磁場(chǎng)能量，難以在真實(shí)電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維任意方向雜散磁場(chǎng)能的最大化有效俘獲。

2024年1月23日，能源領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science 在線報(bào)道了董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)在微能源采集研究領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展。論文題目為：Giant tridimensional power responses in a T-shaped magneto–mechano–electric energy harvester (DOI: 10.1039/d3ee03634k)。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)提出了壓電超材料的協(xié)同模態(tài)設(shè)計(jì)方法（Science Advances, 2019, eaax1782），受此啟發(fā)，本工作設(shè)計(jì)了獨(dú)特的彎-扭協(xié)同工作模態(tài)，僅在單一的T型懸臂梁結(jié)構(gòu)能量采集器中實(shí)現(xiàn)了三維正交磁場(chǎng)的高效響應(yīng)和磁場(chǎng)能量采集。

圖1 T形磁機(jī)電能量采集器及在三維磁場(chǎng)激勵(lì)下的振動(dòng)模態(tài)

圖2 T形磁-機(jī)-電能量采集器的能量采集性能

圖3 應(yīng)用實(shí)例

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工作在同相彎曲模式下的T形梁磁-機(jī)-電能量采集器，在Hac = 1.75 Oe的弱磁場(chǎng)激勵(lì)下，可產(chǎn)生98.5 mW的峰峰值輸出功率，比傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu)磁-機(jī)-電能量采集器的報(bào)道的最高輸出功率高出262%。本工作建立的等效力學(xué)模型指出， 新型T形梁器件中的強(qiáng)化的磁機(jī)電耦合和輸出功率性能源于高達(dá)100倍的撓度增益值。此外，論文展示了在0.5 Oe的弱磁場(chǎng)激勵(lì)下，甚至通過收集常見吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)，T形梁采集器所產(chǎn)生的能量足以實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳感器通信系統(tǒng)。

本文提出的基于彎扭協(xié)同模態(tài)新概念的T型結(jié)構(gòu)能量采集器具備三維正交方向的磁-機(jī)-電耦合能力、優(yōu)異的功率輸出性能以及未來(lái)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自供能模塊中的應(yīng)用潛力，并且將對(duì)未來(lái)眾多基于磁機(jī)電耦合原理的器件（如磁場(chǎng)傳感器、機(jī)械天線等）設(shè)計(jì)都具有指導(dǎo)和啟發(fā)意義。

該論文的第一作者是北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院23屆畢業(yè)生余中輝博士，深圳大學(xué)高等研究院董蜀湘教授、北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院楊繼昆副教授是該論文通訊作者。這項(xiàng)研究獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博新計(jì)劃的支持。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ee/d3ee03634k

（來(lái)源 深圳大學(xué)高等研究院）