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)是實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)互通智慧城市的重要組成部分。將環(huán)境中廣泛且隨機分布的磁場能、機械振動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)實中充滿了來自于現(xiàn)代電網(wǎng)的時變復(fù)雜電磁場環(huán)境，基于磁扭力效應(yīng)和壓電效應(yīng)的磁-機-電能量采集器能夠同時俘獲環(huán)境中的磁場能和振動能，成為當(dāng)前微能源器件研究重點。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能量，難以在真實電磁環(huán)境中實現(xiàn)三維任意方向雜散磁場能的最大化有效俘獲。

2024年1月23日，能源領(lǐng)域國際頂級期刊Energy & Environmental Science 在線報道了董蜀湘教授團隊在微能源采集研究領(lǐng)域取得的重要進展。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，團隊提出了壓電超材料的協(xié)同模態(tài)設(shè)計方法（Science Advances, 2019, eaax1782），受此啟發(fā)，本工作設(shè)計了獨特的彎-扭協(xié)同工作模態(tài)，僅在單一的T型懸臂梁結(jié)構(gòu)能量采集器中實現(xiàn)了三維正交磁場的高效響應(yīng)和磁場能量采集。

圖1 T形磁機電能量采集器及在三維磁場激勵下的振動模態(tài)

圖2 T形磁-機-電能量采集器的能量采集性能

圖3 應(yīng)用實例

實驗結(jié)果表明，工作在同相彎曲模式下的T形梁磁-機-電能量采集器，在Hac = 1.75 Oe的弱磁場激勵下，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-電能量采集器的報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形梁器件中的強化的磁機電耦合和輸出功率性能源于高達100倍的撓度增益值。此外，論文展示了在0.5 Oe的弱磁場激勵下，甚至通過收集常見吹風(fēng)機產(chǎn)生的雜散磁場，T形梁采集器所產(chǎn)生的能量足以實時驅(qū)動無線傳感器通信系統(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-電耦合能力、優(yōu)異的功率輸出性能以及未來在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自供能模塊中的應(yīng)用潛力，并且將對未來眾多基于磁機電耦合原理的器件（如磁場傳感器、機械天線等）設(shè)計都具有指導(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。這項研究獲得科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、博新計劃的支持。

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

（來源 深圳大學(xué)高等研究院）