近期，湖南大學機械與運載工程學院周加喜教授團隊在國際能源領域權威期刊《Nano Energy》上發表文章" Wearable bistable triboelectric nanogenerator for harvesting torsional vibration energy from human motion"，提出了可穿戴摩擦發電低頻俘能新方法，即通過引入柔性負剛度機構，設計了可穿戴雙穩態摩擦發電機，解決了低頻人體運動能量難以俘獲的瓶頸問題，為低頻人體運動能量俘獲與自供能物聯網領域走向實際應用提供了潛在的解決方案。本文第一作者是博士后譚棟國，通訊作者是周加喜教授和王凱副研究員。

1.研究背景

傳感技術是物聯網技術飛速發展的基石，其主要通過無線傳感器實現人與人以及人與物之間的信息交互。其中，人體狀態信息的獲取依賴于大量可穿戴設備及微型無線傳感器，如何穩定、持久且低成本地為規模龐大的傳感器網絡節點供能，是制約物聯網傳感技術進一步發展的瓶頸問題。人體運動可以驅使介電質相對運動， 因此，摩擦發電機在人體運動能量俘獲領域具有極好的前景。然而人體運動具有低頻特征，而傳統摩擦發電機難以實現人體低頻運動能量的高效俘獲。因此，如何創新設計具有低頻人體運動能量俘獲能力的可穿戴摩擦發電機，發展可穿戴摩擦發電低頻俘能方法，是摩擦發電機人體運動能量俘獲研究領域的一大挑戰。

2.論文內容

課題組針對人體運動低頻振動能量難以俘獲的技術瓶頸，提出了一種可穿戴雙穩態摩擦發電低頻俘能方法，并設計了一款緊湊型可穿戴雙穩態摩擦發電機。加工制備了可穿戴摩擦發電機實驗樣機，搭建了電學性能實驗平臺，通過實驗測試得到了不同工況下可穿戴摩擦發電機的電學輸出性能，并揭示了激勵幅值對可穿戴摩擦發電機電學性能的影響規律。最后，將可穿戴摩擦發電機穿戴至人體上，測試了不同人體運動模式下的電學輸出，并進行了可穿戴摩擦發電機驅動LED陣列和低功率溫度傳感器的應用實驗。研究結果表明，可穿戴摩擦發電機可以將人體低頻運動能量高效地轉化為電能，并為低功率傳感器供能，有望應用于可穿戴電子設備的自供能設計。

圖1 可穿戴雙穩態摩擦發電機結構設計

圖2 可穿戴雙穩態摩擦發電機基本原理

圖3 可穿戴雙穩態摩擦發電機人體運動能量俘獲性能

圖4 可穿戴雙穩態摩擦發電機應用演示

本研究工作獲得了徐道臨教授的指導、張辰碩士以及李澤祎的幫助。本研究工作得到國家自然科學基金（12122206、11972152和12272129）和重慶市自然科學基金（cstc2021jcyj-msxmX0461）的資助。此外，感謝林奇達博士在論文語言編輯方面的幫助。

該工作已于近期發表在《Nona Energy》， 2023, 109,108315

編輯：黃飛

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