信息技術的飛速發展使得物聯網(IoTs)技術得到了更加深入的研究，由海量低功耗電子元器件構成的傳感器網絡(WSNs)是實現人、機、物互聯互通智慧城市的重要組成部分。將環境中廣泛且隨機分布的磁場能、機械振動能等各種可再生清潔微能源轉化為電能以供電子傳感器件工作，將為真正的分布式智能傳感鋪平道路?，F實中充滿了來自于現代電網的時變復雜電磁場環境，基于磁扭力效應和壓電效應的磁-機-電能量采集器能夠同時俘獲環境中的磁場能和振動能，成為當前微能源器件研究重點。然而，傳統的懸臂梁等結構一旦固定，僅能在特定方向感知采集磁場能量，難以在真實電磁環境中實現三維任意方向雜散磁場能的最大化有效俘獲。

2024年1月23日，能源領域國際頂級期刊Energy & Environmental Science 在線報道了董蜀湘教授團隊在微能源采集研究領域取得的重要進展。論文題目為：Giant tridimensional power responses in a T-shaped magneto–mechano–electric energy harvester (DOI: 10.1039/d3ee03634k)。在前期工作中，團隊提出了壓電超材料的協同模態設計方法（Science Advances, 2019, eaax1782），受此啟發，本工作設計了獨特的彎-扭協同工作模態，僅在單一的T型懸臂梁結構能量采集器中實現了三維正交磁場的高效響應和磁場能量采集。

圖1 T形磁機電能量采集器及在三維磁場激勵下的振動模態

圖2 T形磁-機-電能量采集器的能量采集性能

圖3 應用實例

實驗結果表明，工作在同相彎曲模式下的T形梁磁-機-電能量采集器，在Hac = 1.75 Oe的弱磁場激勵下，可產生98.5 mW的峰峰值輸出功率，比傳統懸臂梁結構磁-機-電能量采集器的報道的最高輸出功率高出262%。本工作建立的等效力學模型指出， 新型T形梁器件中的強化的磁機電耦合和輸出功率性能源于高達100倍的撓度增益值。此外，論文展示了在0.5 Oe的弱磁場激勵下，甚至通過收集常見吹風機產生的雜散磁場，T形梁采集器所產生的能量足以實時驅動無線傳感器通信系統。

本文提出的基于彎扭協同模態新概念的T型結構能量采集器具備三維正交方向的磁-機-電耦合能力、優異的功率輸出性能以及未來在物聯網系統自供能模塊中的應用潛力，并且將對未來眾多基于磁機電耦合原理的器件（如磁場傳感器、機械天線等）設計都具有指導和啟發意義。

該論文的第一作者是北京大學材料科學與工程學院23屆畢業生余中輝博士，深圳大學高等研究院董蜀湘教授、北京科技大學數理學院楊繼昆副教授是該論文通訊作者。這項研究獲得科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、博新計劃的支持。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ee/d3ee03634k

（來源 深圳大學高等研究院）