Nano Energy：线性-旋转杂化纳米发电机，用于高性能可穿戴生物力学能量收集

【引言】

高效的能量收集设备吸引了广泛的研究目光，旨在在可预见的将来为分布式电子设备、个性化医疗保健和人工智能提供可持续且普及的能量解决方案。与传统的电源设备（例如电池）相比，具有可持续和可再生特性的人体机械式能量采集器已被越来越多地视为物联网时代分布式电子设备的理想能源解决方案。在过去的几十年中，以压电、电磁和摩擦电效应为基础的各种能源技术被出色地应用到了将环境机械能转化为电能的过程中。其中最有效的两种方法是：基于法拉第电磁感应定律的电磁发电机（EMG）和根据麦克斯韦位移电流推导的摩擦纳米发电机（TENG）。一方面，人体侧的大部分机械运动都在低频范围内，且与人体相关的生物力学运动通常是线性运动，这对EMG和TENG都构成了挑战。另一方面，由于TENG和EMG固有的工作原理，他们都更适用于转换旋转运动进而产生电能。因此，如何通过TENG和EMG实现低频线性生物力学运动能量的有效转换，仍然是个挑战。

【成果简介】

西南交通大学杨维清等人报告了一种从线性到旋转转换的杂化式纳米发电机（LRH-NG），它可以从低频人体生物力学运动中收集电能，作为可持续的动力为个性化医疗保健电子设备供能。通过合理的设计，LRH-NG首先可以将人体的线性生物力学运动转换为旋转运动，并有效地发电，为集成了无线温度传感器和湿度传感器的人体局域网络提供动力，以进行连续的生理信号监测。这种LRH-NG装置为物联网时代分布式电子设备有效利用低频人体生物力学运动提供了新的途径。该成果以题为“A Linear-to-Rotary Hybrid Nanogenerator for High-Performance Wearable Biomechanical Energy Harvesting”发表在国际著名期刊Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104235)上。该研究得到了国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1.线性-旋转杂化纳米发电机（LRH-NG）的结构设计

（a）与人体相关的大多数生物力学运动，例如心跳，呼吸，步行和手指运动，都在低频范围内

（b）LRH-NG的示意图

（c）带有花生形孔的圆盘，一根螺杆以及将线性运动转换为旋转运动的过程

（d）方柱的放大图，显示其多层结构

（e）作为摩擦电层的多孔PTFE的SEM图像

图2.LRH-NG的工作原理

（a）带有花生形孔和螺杆的圆盘示意图。L表示周期长度。当圆盘沿螺杆线性移动时，圆盘开始旋转，并将线性生物力学运动转换为旋转机械运动

（b）该图显示了具有不同周期长度的螺杆

（c）频率增强因子对螺杆周期长度的依赖性

（d）LRH-NG发电部分的三维俯视图

（e）TENG组件的发电周期

（f）EMG组件的发电示意，生物机械运动引起的线圈磁通变化将产生电能

图3.LRH-NG的电气输出性能

（a-d）比较TENG的电流和电压输出，在相同生物力学输入下基本频率和增强频率下EMG的电流和电压输出

（e-f）峰值功率密度对TENG和EMG在基本频率以及频率增强因子G_f1下的负载电阻的依赖性

（g）LRH-NG的输出电流和功率密度对外部负载电阻的依赖性

图4.展示LRH-NG作为可持续动力源，以驱动身体区域网络实现个性化医疗保健

（a）具有不同频率增强因子的LRH-NG对商用电容器的充电曲线

（b）显示用于从人类步行中收集能量的小型LRH-NG

（c）LRH-NG的系统配置，它是用于个性化保健的人体局域网的集成电源组件

（d）具有G_f1增强因子的LRH-NG收集人类行走产生的电能，可以为小型身体区域网络提供连续的生物监测。并且可以测量人体周围的温度和湿度信息，并将其同时显示在手机上

（e）在相同情况下，杂化纳米发电机在不提高频率的情况下产生的能量无法为小型人体局域网供电

【总结】

在这项研究中，作者提出了一种由线性到旋转转换的杂化纳米发电机，用于从人体运动中收集低频生物机械能。所报道的LRH-NG被证明是用于驱动人体局域网的集成且可持续的电源系统，以实现个性化医疗保健。它被证明可以驱动用于连续生物监测的无线温度和湿度传感系统。这种新设计的LRH-NG不仅为可穿戴式生物机械能的收集提供了一种新颖的方法，作为分布式电子设备的普遍能量解决方案，而且还可以扩展以改善自然界中其他低频机械运动，包括发动机振动，桥梁振动，海浪等。

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

本文由tt供稿。

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