Nano Energy：線性-旋轉雜化納米發電機，用于高性能可穿戴生物力學能量收集

【引言】

高效的能量收集設備吸引了廣泛的研究目光，旨在在可預見的將來為分布式電子設備、個性化醫療保健和人工智能提供可持續且普及的能量解決方案。與傳統的電源設備（例如電池）相比，具有可持續和可再生特性的人體機械式能量采集器已被越來越多地視為物聯網時代分布式電子設備的理想能源解決方案。在過去的幾十年中，以壓電、電磁和摩擦電效應為基礎的各種能源技術被出色地應用到了將環境機械能轉化為電能的過程中。其中最有效的兩種方法是：基于法拉第電磁感應定律的電磁發電機（EMG）和根據麥克斯韋位移電流推導的摩擦納米發電機（TENG）。一方面，人體側的大部分機械運動都在低頻范圍內，且與人體相關的生物力學運動通常是線性運動，這對EMG和TENG都構成了挑戰。另一方面，由于TENG和EMG固有的工作原理，他們都更適用于轉換旋轉運動進而產生電能。因此，如何通過TENG和EMG實現低頻線性生物力學運動能量的有效轉換，仍然是個挑戰。

【成果簡介】

西南交通大學楊維清等人報告了一種從線性到旋轉轉換的雜化式納米發電機（LRH-NG），它可以從低頻人體生物力學運動中收集電能，作為可持續的動力為個性化醫療保健電子設備供能。通過合理的設計，LRH-NG首先可以將人體的線性生物力學運動轉換為旋轉運動，并有效地發電，為集成了無線溫度傳感器和濕度傳感器的人體局域網絡提供動力，以進行連續的生理信號監測。這種LRH-NG裝置為物聯網時代分布式電子設備有效利用低頻人體生物力學運動提供了新的途徑。該成果以題為“A Linear-to-Rotary Hybrid Nanogenerator for High-Performance Wearable Biomechanical Energy Harvesting”發表在國際著名期刊Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104235)上。該研究得到了國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1.線性-旋轉雜化納米發電機（LRH-NG）的結構設計

（a）與人體相關的大多數生物力學運動，例如心跳，呼吸，步行和手指運動，都在低頻范圍內

（b）LRH-NG的示意圖

（c）帶有花生形孔的圓盤，一根螺桿以及將線性運動轉換為旋轉運動的過程

（d）方柱的放大圖，顯示其多層結構

（e）作為摩擦電層的多孔PTFE的SEM圖像

圖2.LRH-NG的工作原理

（a）帶有花生形孔和螺桿的圓盤示意圖。L表示周期長度。當圓盤沿螺桿線性移動時，圓盤開始旋轉，并將線性生物力學運動轉換為旋轉機械運動

（b）該圖顯示了具有不同周期長度的螺桿

（c）頻率增強因子對螺桿周期長度的依賴性

（d）LRH-NG發電部分的三維俯視圖

（e）TENG組件的發電周期

（f）EMG組件的發電示意，生物機械運動引起的線圈磁通變化將產生電能

圖3.LRH-NG的電氣輸出性能

（a-d）比較TENG的電流和電壓輸出，在相同生物力學輸入下基本頻率和增強頻率下EMG的電流和電壓輸出

（e-f）峰值功率密度對TENG和EMG在基本頻率以及頻率增強因子G_f1下的負載電阻的依賴性

（g）LRH-NG的輸出電流和功率密度對外部負載電阻的依賴性

圖4.展示LRH-NG作為可持續動力源，以驅動身體區域網絡實現個性化醫療保健

（a）具有不同頻率增強因子的LRH-NG對商用電容器的充電曲線

（b）顯示用于從人類步行中收集能量的小型LRH-NG

（c）LRH-NG的系統配置，它是用于個性化保健的人體局域網的集成電源組件

（d）具有G_f1增強因子的LRH-NG收集人類行走產生的電能，可以為小型身體區域網絡提供連續的生物監測。并且可以測量人體周圍的溫度和濕度信息，并將其同時顯示在手機上

（e）在相同情況下，雜化納米發電機在不提高頻率的情況下產生的能量無法為小型人體局域網供電

【總結】

在這項研究中，作者提出了一種由線性到旋轉轉換的雜化納米發電機，用于從人體運動中收集低頻生物機械能。所報道的LRH-NG被證明是用于驅動人體局域網的集成且可持續的電源系統，以實現個性化醫療保健。它被證明可以驅動用于連續生物監測的無線溫度和濕度傳感系統。這種新設計的LRH-NG不僅為可穿戴式生物機械能的收集提供了一種新穎的方法，作為分布式電子設備的普遍能量解決方案，而且還可以擴展以改善自然界中其他低頻機械運動，包括發動機振動，橋梁振動，海浪等。

文獻鏈接：A Linear-to-Rotary Hybrid Nanogenerator for High-Performance Wearable Biomechanical Energy Harvesting. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104235.

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