Advanced Sustainable Systems:纳米发电机,陆海空应急管理展身手

随着交通运输的快速发展,人们的生活越来越方便,但交通运输的普及也增加了突发事件的发生概率。因此,十分必要对交通状况、交通工具以及驾驶人员进行实时、准确的监测,以减少突发事件的发生;同时,对于交通运输周边环境中可能出现的其他突发事件,如气象灾害、地质灾害、海洋灾害等,相应的应急管理也成为确保人员和财产安全的关键;此外,及时的预测和预警可以帮助人们尽早的发现异常情况,并在发生巨大损失之前及时采取措施来降低风险,比如在遇到紧急情况时发出准确、有效地求救信号,可以帮助人们及时高效地实施应急处理,并尽快的帮助脱离危险处境。2018年成立的应急管理部通过组织编制应急预案,指导应对突发事件和推动应急预案演练,在应急管理和防灾减灾救灾中发挥了巨大作用,并对加强风险监测预警、灾害应急准备,构建防治体系和提升防治能力等重要任务提出了新的要求。

实时、准确、高效的交通监测和应急管理的前提基础是大范围、分布式铺设的传感网络,这就要求为大规模传感网络中随机分布的大量传感器和驱动器提供持续和稳定的电源。2012年王中林团队发明的摩擦纳米发电机(TENG),可以利用介质之间的接触起电效应和相互运动,把外界的机械能转化为电能,其原理是基于介质之间的相对非匀速运动,由于运动而导致介质极化,进而产生动生位移电流将输入的机械能转换成电能,这在实际工程问题中具有广泛的应用前景。其便捷性、自适应性以及复杂环境中实时监测等显著优势,为构建自供电传感器和自驱动系统提供了良好的选择。摩擦纳米发电机已经被广泛研究用于不同的交通环境和应急管理中,可以通过采集周围环境中低频高熵机械能来驱动分布式传感器(或者直接作为主动式传感器),从而实现自供电的无线监测,并提供有效的应急管理措施。

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员团队对纳米发电机在交通运输及周边环境应急管理等方面应用做了深入的探讨和研究,总结了TENG在四种不同应用场景中(包括道路、桥梁、铁路、海洋)的典型应用方案和研究进展。

【图1】四种交通运输监控及其周边应急管理示意图。

该论文重点聚焦纳米发电机在道路、桥梁、铁路、海洋等交通运输监控及其周围环境的应急管理策略(图1),详细介绍了TENG在交通和应急管理方面的应用案例和进展,包括公路交通中的驾驶员状态监测和道路应急管理,桥梁交通中的汽车状态监测和桥梁应急管理,铁路交通中的列车状态监测和户外应急管理,以及海洋交通中的船舶状态监测和海洋应急管理。最后,总结了TENG在交通和应急管理方面存在的问题和面临的挑战,并从输出性能改善、管理电路优化、复合能量采集策略、以及器件耐用性和稳定性方面提出了进一步的发展建议。本论文全面研究了TENG在各种交通运输监测和相关应急管理中的变革性应用和相关进展,对物理学、材料科学,工程技术、交通运输及应急管理等多学科交叉领域的相关研究群体有很大的启发,并能促进相关科学研发和技术产业推广,为人们提供更安全、更高效、更便利的日常生活。

文章信息:

TENG Applications in Transportation and Surrounding Emergency Management

Nuo Xu, Jing Han, Yao Xiong, Zhong Lin Wang*, Qijun Sun*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202200267

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202200267