湖南大学团队研究提出可穿戴双稳态摩擦发电低频俘能方法

近期，湖南大学机械与运载工程学院周加喜教授团队在国际能源领域权威期刊《Nano Energy》上发表文章" Wearable bistable triboelectric nanogenerator for harvesting torsional vibration energy from human motion"，提出了可穿戴摩擦发电低频俘能新方法，即通过引入柔性负刚度机构，设计了可穿戴双稳态摩擦发电机，解决了低频人体运动能量难以俘获的瓶颈问题，为低频人体运动能量俘获与自供能物联网领域走向实际应用提供了潜在的解决方案。本文第一作者是博士后谭栋国，通讯作者是周加喜教授和王凯副研究员。

1.研究背景

传感技术是物联网技术飞速发展的基石，其主要通过无线传感器实现人与人以及人与物之间的信息交互。其中，人体状态信息的获取依赖于大量可穿戴设备及微型无线传感器，如何稳定、持久且低成本地为规模庞大的传感器网络节点供能，是制约物联网传感技术进一步发展的瓶颈问题。人体运动可以驱使介电质相对运动， 因此，摩擦发电机在人体运动能量俘获领域具有极好的前景。然而人体运动具有低频特征，而传统摩擦发电机难以实现人体低频运动能量的高效俘获。因此，如何创新设计具有低频人体运动能量俘获能力的可穿戴摩擦发电机，发展可穿戴摩擦发电低频俘能方法，是摩擦发电机人体运动能量俘获研究领域的一大挑战。

2.论文内容

课题组针对人体运动低频振动能量难以俘获的技术瓶颈，提出了一种可穿戴双稳态摩擦发电低频俘能方法，并设计了一款紧凑型可穿戴双稳态摩擦发电机。加工制备了可穿戴摩擦发电机实验样机，搭建了电学性能实验平台，通过实验测试得到了不同工况下可穿戴摩擦发电机的电学输出性能，并揭示了激励幅值对可穿戴摩擦发电机电学性能的影响规律。最后，将可穿戴摩擦发电机穿戴至人体上，测试了不同人体运动模式下的电学输出，并进行了可穿戴摩擦发电机驱动LED阵列和低功率温度传感器的应用实验。研究结果表明，可穿戴摩擦发电机可以将人体低频运动能量高效地转化为电能，并为低功率传感器供能，有望应用于可穿戴电子设备的自供能设计。

图1 可穿戴双稳态摩擦发电机结构设计

图2 可穿戴双稳态摩擦发电机基本原理

图3 可穿戴双稳态摩擦发电机人体运动能量俘获性能

图4 可穿戴双稳态摩擦发电机应用演示

本研究工作获得了徐道临教授的指导、张辰硕士以及李泽祎的帮助。本研究工作得到国家自然科学基金（12122206、11972152和12272129）和重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX0461）的资助。此外，感谢林奇达博士在论文语言编辑方面的帮助。

该工作已于近期发表在《Nona Energy》， 2023, 109,108315

编辑：黄飞