随着物联网、可穿戴设备和大数据技术的快速发展，收集环境中广泛存在的机械能并转换为潜在可持续能源（电能）的俘能技术受到广泛关注。然而，来自周围环境和人类的机械动能通常具有低频和不规则运动的特性，极大地限制了适用条件和能量采集效率。

图1.(a-c)用于人体运动能量收集; (d)新型发电机爆炸结构体; (e-f)双极性驻极体充电连接方案和3D电势分布图;(g)驻极体表面结构SEM图;(h)发电机实物照片。

我院陶凯副教授等提出了一种采用斜齿离合机制的驻极体旋转发电机以从超低频运动中获取能量并转换为直流、持久和高效输出（图1所示）。通常，大多数可穿戴能量采集器仅能从人体的低频运动中获取少量电能，并在运动结束时立即停止工作，导致能量收集效率低下。因此，陶凯课题组提出一种具有机械齿式离合器传动系统的驻极体旋转发电机，将超低频不规则人体运动(< 0.1 Hz)转换为发电模块高速持续旋转，以提高能量收集及转换效率。

图2.(a)机械齿式离合器传动系统;(b)传动系统工作流程; (c-d)单次瞬时激励后输出电流波形; (e-g)超低频激励下输出电流波形; (h-j)正常行走时输出电流波形。

新型驻极体旋转发电机创新之处在于机械齿式离合器传动系统，其包括一个多线螺杆机构、一个斜齿离合机构和一个飞轮存储机构集成设计而成（图2所示），可以将间断的、不规则运动产生的瞬时激励转换为发电模块持续旋转运动，从而产生连续、稳定和高效的电力输出。研究表明，单次用手轻拍的脉冲激励可以驱动发电机连续旋转约45 s，且发电模块最大初始速度可以达到约1500 rpm，其频率从0.022 Hz增加到100 Hz，实现了频率提升数千倍的突破。

图3. (a-b) 空间多层发电模块; (c)同相位模式; (d)多相位模式; (e)多相位模式下静电发电原理; (f)同相位模式下输出电流波形; (f)多相位模式下输出电流波形。

此外，发电模块引入多层相移电极设计，通过相位耦合效应可以获得波峰因数低至1.09的几乎恒定直流输出，避免了复杂的信号处理电路（图3所示）。实验结果表明，采用相移设计的多相位模式（3L3P）相比同相位模式（3L1P），其输出电流波峰因子从1.414降至1.09，并且随着相数增加波峰因子进一步降低，进而输出几乎恒定直流，为直接驱动传感器工作提供全新研究思路。

图 4. (a-d) 面向深地探测的自供能传感网络; (f) 自供能深地环境监测系统工作示意图; (g) 自供能深地环境监测电路图; (h-i)自驱动传感输出电压波形。

       由于轻便、紧凑和高效的机械传动设计和多层相移设计，使得新型驻极体旋转发电机实现小型化并进一步集成到鞋中，能够很好的收集人体运动时足部产生的能量，进而用于可穿戴的能量收集和自供能的地下环境监测应用（图4所示）。这项研究在为传感器供电和建立自供电可穿戴传感器网络方面的实际应用具有巨大意义。

上述成果分别以题名“Direct-Current, Long-lasting and Highly efficient Electret Energy Harvesting from Ultra-low-frequency Motions Using Toothed Clutch Mechanism”和“Multiphase Bipolar Electret Rotary Generator for Energy Harvesting and Rotation Monitoring”发表在微纳俘能领域国际权威期刊《Nano Energy》和微机电领域国际权威期刊《Journal of Microelectromechanical Systems》上。论文通讯作者为陶凯副教授，课题组内硕士生赵哲、毛新辉、李方志以等在论文研究和写作方面做出了贡献。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107998

https://doi.org/10.1109/JMEMS.2022.3200461

图文：陶凯

审核：罗明