Advanced Materials Technologies:基于振动的能量收集系统及其在生物医学领域应用的最新研究进展

能源是人类赖以生存和发展的基础,新型绿色能源的开发及使用正推动人类社会构建一个全新的能源体系。其中振动能量是一种在自然环境中广泛存在的能量源,其可再生,形式多样,持续寿命长和能量密度高的特点为绿色能源系统的发展提供了有力的支持。尤其随着可穿戴电子设备,传感器及植入式医疗设备在军事,通信,医疗以及人们的日常生活中的广泛应用,以振动为能量源的能量转化收集系统满足了设备对供能系统的可持续,高效,低成本及环保的新要求,并有望成为可持续电池以实现新型绿色能源的永久供电。

来自美国达特茅斯学院的张晓晶课题组和陈资课题组综述了基于振动的能量收集系统的技术现状及研究进展。文章首先总结并比较了振动能量收集器的四种基本能量转化机制(包括压电式,摩擦式,电磁式以及静电式发电)。其次,针对振动能量收集系统需以频率匹配来实现最大输出功率的主要难题,文中基于理论模型归纳并总结了调节收集器结构 (例如悬臂梁及薄膜结构) 的固有频率,拓宽带宽等策略的优缺点。作者们进一步回顾和总结了振动能量收集系统在生物机械领域的最新应用,包括超低频振动在生物体内的能量收集以及仿生能量收集器的开发。最后,文章从多功能智能材料,生物医学应用以及自供电系统三个方面展望了该领域的发展趋势,并强调了集成功能材料,智能调频,自供电振动能量收集系统在可穿戴电子设备以及植入式医疗器械的广泛应用。

相关论文“Vibration energy harvesting system: transduction mechanisms, frequency tuning techniques and biomechanical applications”发表在 Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201900177)。张晓晶教授和陈资教授为通讯作者,董琳博士为第一作者。