能量采集的案例
可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感
摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發表在Advanced Materials上。
展開 上海交大楊斌《ACS Nano》:真正意義上的自供電心臟起搏器！
自供能心臟起搏器設計圖
心臟起搏器是一種臨床上最為常見的輔助心功能的植入式醫療電子治療器件，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常、心力不足等所致的心臟功能障礙的目的。值得注意的是，所有的這些植入式心臟起搏器都是帶有一塊內置電池，目前主要采用高能量密度的鋰離子電池作為能量的供應來源。然而，由于內置電池所存儲的電量是固定的，起搏器的使用壽命也必然是有限，一般5-12年，周期性地進行起搏器更換手術是起搏器植入患者目前無法避免的，這種周期性更換術大大增加了高發病率患者的健康風險，也會給患者帶來巨大的經濟負擔，甚至增加了潛在的死亡率。另外，為了保障起搏器有足夠的能量維持正常的使用壽命，起搏器在功能完善和小型化等方面的發展也受到了極大制約。半個多世紀以來，能源供給成為起搏器壽命的直接因素，也是發展到今天所面臨的最大限制性因素。通過能量采集技術轉化體內本身豐富的生物化學能、機械能等為起搏器供能成為一種醫療器件可持續供能的重要解決方案而得到廣泛研究。無電池的自供能心臟起搏器也成為心臟起搏器重要發展趨勢。
入式能量采集器供能于心臟起搏器
該研究基于塊體壓電陶瓷的高性能壓電效應，通過化學機械拋光技術對塊體壓電陶瓷材料進行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的壓電陶瓷在薄膜化后能很好的適應襯底的柔性變形，并保持著塊體的高性能壓電系數，進而為制備高輸出性能的植入式壓電能量采集器提供了關鍵材料基礎。再利用彈性結構設計的壓電能量采集器轉化心臟跳動過程中的機械能為心臟起搏器可利用的電能。本課題組和第二軍醫大學合作將研制的囊狀結構柔性壓電能量采集器植入到豬的體內，目前實現了輸出電流15 μA，相比之前報道提高8.5倍，使得這一輸出滿足心臟起搏器的功能需求。
展開 專訪每開創新：射頻微能源取電，開啟零功耗綠色時代體驗
無源NFC：基于NFC通信的無線射頻能量采集技術
無電技術可以簡單理解為沒有電池儲能的能源采集與儲集技術，其能源主要是從環境中獲取，如光能、溫差轉換、震動能量等，而每開創新的技術落腳點主要在于無線射頻能量的采集。
所謂無線射頻采集是一種從設備和設備之間通訊產生的射頻能量收集并轉化成電能的過程，如手機與路由器的通訊過程產生的無線電射頻信號，當手機未被連接時，這些信號彌散在空氣中或者存在于光纖電纜中，每開創新通過技術對其進行集中處理成一個能量來源，并通過收集和轉化的方式獲得能量。
傳統的設備通信交互方式是發射端不帶電，向接收端傳輸信號信息，而接收端需要帶電源維持供電狀態，這種方式成本高、不穩定、耗能高、效率低；每開創新的無電無線微能源抓取與通信方案是發射端帶電，而接收端不帶電，發射端向接收端供電并傳送通信信息，接收端通過抓取發射端射頻信號能量帶動能量轉化。
每開創新表示：“我們的一個核心技術思路是利用帶電發射端的設備向不帶電的物聯網設備的節點發送信號，形成雙向數據讀寫，進而利用射頻信號形成供電，傳輸數據，完成設備的驅動。這種方法低功耗、低成本，還能提供安全的數據傳輸。”
每開創新選擇的技術切入點率先落腳在NFC這種近場通信的無線電射頻應用領域，基于實際應用場景需求，在近、中、遠距離場景中，先行選擇了近場環境推動研發。
以NFC作為技術切入點，原因是什么？每開創新告訴我們，NFC方案采用國際通用的通信規則，擁有更高的適配性和適用度，不需要大幅度改造，改造成本低，用戶也不需要深度學習新設備，學習成本也低。
基于國際標準NFC通信協議，每開創新通過獨創的射頻能量算法芯片，利用NFC通信過程中產生的射頻能源，實現無線取電，瞬間大功率儲電和安全驅動負載。“這是一種基于NFC數據傳輸協議的應用創新。”
展開 基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法研究
摘 要：針對目前無線傳感器風能采集效率低和傳統最大功率點跟蹤算法(MPPT)不適用于微型系統的現狀,提出一種基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法。重點研究了電阻仿真技術,通過負載阻抗來模擬風機的源阻抗,使得電源和負載之間能夠達到良好的阻抗匹配,保證在任何運行風速下采集到的功率都是最大值,從而達到提高無線傳感器風能采集效率、延長其工作壽命的目的。最后通過實驗,驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：無線傳感器網絡;風能采集;電阻仿真;最大功率點跟蹤;
0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種基于無線射頻通信技術的多跳自組網絡,由部署在監測空間內的無線傳感器節點組成,在電力系統中多應用于智能電網技術[1,2,3,4]。然而,傳統節點的驅動方式限制了無線傳感器網絡的廣泛應用與深度拓展,節點的能量供應成為無線傳感器網絡技術面臨的首要問題。隨著環境能量收集技術的研究與發展,自供電無線傳感器節點的出現可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網絡性能[3,4,5,6,7]。文獻[5,6]提出利用傳感器所處環境的風能和太陽能來為傳感器持續供電,卻忽略了能量采集的效率問題。文獻[7]提出利用風致振動的能量來驅動傳感器運行,但復雜的機械結構所導致的能量損失和設備的穩定性問題有待考證。對于一個微型風能采集系統,由于采集到的電功率通常非常低,且受到微型風力發電機運行狀態的制約。因此,最主要的問題是開發一種高效的功率變換器及與電子電路相關并包含最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的微驅動,用于跟蹤和保持微型風機的最大輸出功率以維持無線傳感器節點在不同工況下的運行。而傳統的MPPT技術因其復雜的電路設計導致耗能過高,并不適用于微型風能采集系統。
展開 
基于高能量密度非對稱電容器的可編織自充電織物
b) 普通織物中編入形狀為英文字母(BINN)的能量收集紗線和ASC紗線。c)自充電系統的等效電路，利用能量采集織物TENG對ASC進行充電，然后為電子產品供電。d)不同運動頻率的TENG面料對兩個串聯ASC纖維充電電壓。e) 以4Hz的運動頻率輕拍TENG面料給兩個串聯連接的ASC紗線充電，然后驅動手表工作。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201806298
來源：高分子科學前沿
Nature Mater. 3D打印壓電材料！任意方向運動轉化為電能
可以定制這種架構，使之更具柔性，并使用它們，例如作為能量采集器件，包覆任意曲面。
打印的柔性納米材料薄片
團隊開發出的3D打印壓電材料的新技術，使它們不再受到形狀或者尺寸的限制。這種材料也可以在激活后，為觸覺感知、沖擊與振動監測、能量采集以及其他應用提供新一代的智能結構與智能材料。在這些領域，完全由壓電材料制成的結構，可以感知沖擊、振動與運動，并監測和定位它們。
論文第一作者崔華晨表示：“傳統意義上，如果你想要監測一個結構的內部力度，你需要將許多單獨的傳感器放置在這個結構之上，每個傳感器都具有許多的線與連接器。在這里，結構本身就是傳感器，它可以實現自我監測。”
來源：材料科學與工程
展開 《Nano Energy》：多功能力學超摩擦材料！
近年來隨著力學超材料的發展，兼具能量采集和監測感知功能的摩擦電材料為多功能力學超材料的智能化發展帶來新方向。
本文提出一種自感知復合力學超材料—力學超摩擦材料，其將摩擦電材料制備于力學超材料中，通過將力學超材料作為納米發電機介質，實現整體結構材料在能量采集和智能監測感知方面的多功能應用。力學超摩擦材料運用3D打印技術，實驗制備由摩擦電材料組成的無縫集成自恢復咬合微結構，并測試表征其自供電和自感應性質。本文同時運用理論方法探討了周期性荷載下咬合微結構接觸帶電的變形機制與電能產生機理。
本研究由美國匹茲堡大學土木系聯合浙江大學海洋學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所共同開展。相關論文以“Multifunctional Meta-Tribo material Nanogeneratorsfor Energy Harvesting and Active Sensing”為題，發表在《Nano Energy》。本文第一作者為聯合指導的博士研究生，共同第一作者為焦鵬程研究員，通訊作者為王中林院士和A.H. Alavi助理教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106074
本文提出的力學超摩擦材料將摩擦電材料設計于力學超材料微結構胞元中，使得整體結構材料既具有力學超材料的優越力學性能，又具備摩擦納米發電機的能量采集和監測感知功能。力學超摩擦材料運用各種有機和無機摩擦電材料，設計構成復雜的分層復合結構。本文運用實驗和理論方法，系統研究了力學超摩擦材料的力-電學性能，展望了力學超摩擦材料集成系統的多功能工程應用，例如海洋工程防災減災自能量監測感知設備，自感知自能量心血管支架等。
展開 Nano Energy：變廢為寶的摩擦納米發電機所驅動的無線傳感網絡及環境監測應用
【總結】
通過變廢為寶的方式使用回收的牛奶盒制作了一種新穎的、環境友好的和完全封裝的弧形摩擦納米發電機用于收集流體能量。更重要的是，通過弧形摩擦納米發電機驅動無線傳感網絡，并在真實河流中進行了流體能量采集，進而實現了長期環境監測的應用（水質監測和滑坡預警）。
來源：材料人
柔性紙基集成器件研究取得進展！
經過測試，表明該紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有衰退），其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列。
基于在紙面印刷的金屬集成電路，研究人員將MSC和紫外傳感器或氣體傳感器集成到同一單片紙上，集成器件顯示出良好的傳感特性和自供電特性。未來有望將能量采集、能量存儲和用電器件集成到同一紙基芯片。這種基于紙質基底的集成策略為便攜式和可穿戴電子開拓了新的設計方法。
該研究在線發表在Advanced Functional Materials上，研究工作得到了國家自然科學基金和研究所“一三五”重點培育項目的資助和支持。
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*本文轉載自公眾號材料科學與工程,旨在分享,如有侵權,請聯系刪除*
展開 基于WORKBENCH的壓電疊堆耦合分析 （原創，如轉載，請注明出處）
壓電材料的主要問題是高電壓，低電流，對于能量采集是不利的，比較適合做傳感器。
關鍵技術點
(1) 壓電材料的定義
（2）分析中的電壓自由度耦合，對于壓電疊堆，采用插入命令流進行自由度耦合比較方便和高效。
（3）阻抗 導納的提取
（4）此問題要多處使用插入命令的方式，從而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。
2023電子紙產業藍皮書正式發布！第二屆產業生態發展論壇圓滿閉幕
【北京智芯微電子科技有限公司 人工智能創新業務部 經理 喬磊】
北京智芯微電子科技有限公司人工智能創新業務部經理喬磊分享了國產化微能量采集芯片及應用案例，室內光微能量采集與電子紙的低功耗結合，對于電子紙相關應用領域具有重要意義。
【重慶御芯微信息技術有限公司 WIoTa事業部 總監 梁霄】
重慶御芯微信息技術有限公司WIoTa事業部總監梁霄對其10km級超遠距離大容量低功耗通信技術和芯片作主題分享。該技術與電子紙結合，能夠解決醫院床頭卡、電子工牌、超市標簽、車站廣告牌等的基站數量與距離覆蓋等關鍵應用問題。
【浙江鑫柔科技有限公司 CTO Esat Yilmaz 伊薩】
浙江鑫柔科技有限公司CTO Esat Yilmaz 伊薩分享了一種新一代的柔性金屬網絡觸控傳感器，具有更高的靈敏度和更廣泛的適用性。可以實現高精度的觸控檢測和精準的位置識別，可以彎曲和扭曲以適應各種曲面形狀和尺寸，同時具有高度的耐久性和穩定性。
【深圳市合揚智能卡科技有限公司 總經理 陳舒萍】
深圳市合揚智能卡科技有限公司總經理陳舒萍為我們帶來了其研發的一體成型封卡技術，將電子紙屏幕、電路板和封裝材料等元件一次性封裝在一起，無需傳統模具外殼，小于1mm的厚度，助力電子紙卡片薄出彩。
【深圳佰瑞興實業有限公司 市場總監 胡濤】
深圳佰瑞興實業有限公司市場總監胡濤分享了電子紙產品集成中不可小覷的模切工藝，通過精細化的模切工藝，可以制造出更加精細、美觀、高品質的電子紙產品。
展開 
《先進功能材料》智能介電彈性體驅動器：電場與力學自愈合
介電彈性體由于具有質量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應迅速等優良特性，在驅動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領域具有重要的應用前景。常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
展開 物聯網行業工程仿真解決方案
能量采集、無線功率傳輸和低功耗IC設計是許多物聯網產品的構建基礎。
機械運動、熱、壓電材料和電磁輻射等產生的能量也能被捕獲并直接轉化為電能。設計能量采集系統時，工程師要考慮多個參數，包括能量來源、換能器類型、電源效率、所需的功率級和能源儲存等。
更重要的是，在設計無線系統時，安全性是一個重要的考慮因素。相關標準和監管機構對釋放到生命組織的電磁能量大小進行了限制。包括人體模型在內的仿真工具可用來設計和分析各種不同供電系統及其對人體的影響。
4、傳感器和MEMS設計
傳感器和MEMS（微機電系統）設計人員在設計出色產品、進行原型構建和制造工作時面臨嚴峻的商業和科技挑戰，這些挑戰甚至能夠決定工作的成敗。為了獲得競爭優勢，傳感器制造商應盡可能快速高效地開發產品。
MEMS和傳感器十分復雜，因為其功能特殊，尺寸非常小，而且生產工藝極具挑戰性。MEMS非常小，因此性能檢測設備也會影響器件功能，從而難以得到可靠的性能數據。仿真技術能準確了解這些器件的性能，超出物理原型所能實現的范圍。
5、嵌入式軟件開發
現代化轎車可能包含5000萬到一億行代碼。自動駕駛車輛即將出現，我們預計軟件內容會快速增加。不過，嵌入式軟件并不僅僅面向汽車：在工業設備、機器人、飛機和無人機等物聯網產品中添加豐富內容和智能功能是一項必不可少的工作。由于許多產品和系統（比如說汽車和飛機的制動系統）都是安全或任務關鍵型，因此控制軟件必須毫無差錯地工作。如果系統發生故障，必須是可預測的，以便將損害降至最低。
軟件開發不再只是編寫代碼這么簡單：它還涉及了確認和驗證工作。對于每一行實現代碼，軟件工程師往往發現他們要編寫很多行確認代碼。盡管工作量大大增加，但軟件代碼故障仍持續存在，這就會造成安全召回、違反安全規則，有時甚至會造成悲劇性后果。
展開 摩擦電納米發電機的機械能轉換系統:動力學和振動設計
完整的能量收集系統由輸入能量源、與TENG集成的MECS和待供電的負載電路組成。我們環境中的機械能在輸入行為是不規則的，而要供電的負載電路需要調節和可預測的輸出。通過采用基于運動學和振動設計的MECS，我們可以提高TENG的能量轉換性能，并從TENG獲得受控輸出。盡管總系統尺寸可能會增加，效率可能會降低，但是為了避免負載電路階段的清除功率的顯著損失，MECS的使用變得不可避免。因此，對這些系統的優化及其與TENG的集成的進一步研究可以導致基于TENG的完整能量收集解決方案的實現。作者希望這篇綜述能啟發讀者，優化MECS設計對于改善和控制TENGs輸出的重要性。此外，基于MECS的基本功能，除了TENGs之外，其他不同類型的機械能量采集器，例如PENS和EMGS，可以利用這種MECS產生高質量的優化輸出功率。
文獻鏈接：Mechanical energy conversion systems for triboelectric nanogenerators: Kinematic and vibrational designs, (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.056).
展開 壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！
從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。
一般來說，壓電材料包括：骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等等。此類材料的應用范圍非常廣，例如：移動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。壓電效應的主要用途之一就是發電，例如我們走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪音產生的能量都可以被采集起來轉化為電能。
有關壓電效應的創新案例之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個經典案例：
1) 美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型換能器，可以采集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。
（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）
2）美國范德堡大學開發的新型超薄能量采集系統，即使受到極低頻率的人體運動所產生的彎曲或按壓，也可以產生少量電力。
（圖片來源于：John Russell / 范德堡大學）
3）愛爾蘭利默里克大學（UL）伯納爾學院的科學家觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在于禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。
（圖片來源：利默里克大學）
創新
近日，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位于布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學院及研究機構 Swerea IVF 合作，開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。研究結果發表于“自然合作期刊”（Nature Partner journal）《柔性電子（Flexible Electronics）》。
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