AMF副主編香港城市大學呂堅院士：仿生新型雙穩態振動能量收集器

研究背景

物聯網技術的發展促使無線電子器件廣泛應用於結構健康監測、環境監測和交通安全監測等領域。在很多情況下（例如：大量無線設備場景或偏遠、危險環境），更換電池是不方便、昂貴且不環保的。而能量收集技術正好可以解決這一問題。與太陽能、風能、海洋能等常利用的清潔能源一樣，振動能廣泛存在於人類生活中，但卻很少被收集利用。相較於其他清潔能源，振動能與人類的生產生活息息相關，往往存在於機械結構內部，具有能量密度高、易通過微機電系統收集、受天氣等外界因素影響較低的特點。因此，廣泛應用於便攜裝置和大型基礎設施的振動部件上。利用壓電材料將振動導致的形變能轉化爲電能是一種簡單、有效的振動能量收集手段，常見於線性和非線性兩種振動系統中。相較於線性振動能量收集器工作頻率非常窄的特點，非線性振動能量收集器本身的非線性特性使得其工作頻率範圍廣、輸出能量大且轉換效率高，因此很適合應用於振動頻率多變的實際應用場景。

近日，香港城市大學呂堅院士課題組與楊徵保副教授課題組合作，基於表面機械研磨處理（SMAT）技術製備的雙穩態金屬納米材料，開發了一種仿豆莢結構的新型雙穩態振動能量收集器。爲了克服傳統雙穩態振動能量收集器（如磁鐵式、屈曲樑式、整體變形的雙穩態複合材料式等）結構複雜、應用受限的難題，研究團隊另闢蹊徑，研發了一種具有局部雙穩態特徵的新型納米金屬材料。基於該新型雙穩態納米材料設計的振動能量收集器（NBEH）具有工作頻帶寬、輸出電壓高、結構簡單（不需要額外部件（能量）來形成（維持）雙穩態特性）、可定製設計、變形可控、安裝方式靈活等優勢。研究團隊通過實驗和模擬的方法對該振動能量收集器的吸能性能和動力學特性進行了系統性的研究。

圖文導讀

圖1. 仿豆莢納米雙穩態振動能量收集器

圖2. 正向掃頻實驗下的振動能量收集性能

圖3. 反向掃頻實驗下的振動能量收集性能

圖4. 固定頻率實驗下的非線性振動特性

圖5. 非線性振動特性的動力學模擬結果

本研究提出的仿生納米雙穩態振動能量收集器有望在汽車輪胎和懸架系統、鐵路橋樑、飛機機翼等低頻振動源中大規模分佈，實現振動能收集或直接爲無線傳感器網絡節點供電。本文第一作者爲郝鳳乾博士，共同第一作者爲王標博士和王旭博士，通訊作者爲呂堅院士和楊徵保副教授。

論文鏈接：

呂堅院士主頁：

責任編輯：惲海豔

責任校對：張 強

審 核：張 強

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來源：香港城市大學呂堅院士課題組。

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