機(jī)械智能能量采集設(shè)計方法

近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊、湖南工程學(xué)院魏克湘教授團(tuán)隊和西北工業(yè)大學(xué)周生喜教授團(tuán)隊聯(lián)合在Advanced Energy Materials期刊（IF=29.698）上發(fā)表綜述論文"Mechanical intelligent energy harvesting: From methodology to applications"，并入選編輯精選。該論文為解決能量采集系統(tǒng)對復(fù)雜環(huán)境與工況的適應(yīng)性難題，提出了“機(jī)械智能能量采集”概念，闡明了機(jī)械智能能量采集設(shè)計方法論，綜述了具有機(jī)械智能特征的能量采集系統(tǒng)典型設(shè)計，預(yù)測了機(jī)械智能能量采集的未來發(fā)展趨勢。趙林川博士后為本文的第一作者，上海交通大學(xué)為論文第一完成單位，上海交通大學(xué)張文明教授、湖南工程學(xué)院鄒鴻翔教授和西北工業(yè)大學(xué)周生喜教授為通訊作者。

AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）的蓬勃發(fā)展為人類創(chuàng)造了一個智能世界。AIoT通過廣泛分布、數(shù)量龐大的智能傳感器將萬物互聯(lián)，并實時感知、采集、處理和傳輸信息。這些傳感器可能還布置在極端環(huán)境中。對于這些傳感器來說，更換電池或通過電纜供電都很困難。因此，機(jī)械能量采集技術(shù)應(yīng)運而生。通過俘獲自然界中廣泛存在的分散、無序和高熵的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電能，為廣泛分布的傳感器供能，即實現(xiàn)自供能的AIoT。過去幾十年中能量采集技術(shù)取得了蓬勃的進(jìn)展，但目前仍然有一些關(guān)鍵瓶頸問題制約著能量采集技術(shù)走向應(yīng)用。從實驗室到實際應(yīng)用，能量采集系統(tǒng)如何適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境與工況？機(jī)械智能能量采集設(shè)計方法論是解決這一難題的“對癥良藥”。

機(jī)械智能是指將感知、驅(qū)動、控制、邏輯和適應(yīng)等過程設(shè)計到機(jī)械系統(tǒng)中，不依賴電氣控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的智能化程度。在生物進(jìn)化和人類發(fā)展歷程中，機(jī)械智能發(fā)揮了不可或缺的作用，并在當(dāng)代社會中的前沿科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用?？梢酝ㄟ^機(jī)械智能設(shè)計使能量采集系統(tǒng)具有自適應(yīng)和程序化功能，這是一種提高機(jī)械能量采集系統(tǒng)綜合性能的新范式。雖然一些研究人員已經(jīng)設(shè)計了具有機(jī)械智能特征的各種能量采集系統(tǒng)并取得了良好的效果，但是這種設(shè)計方法尚未被明確定義、分析和總結(jié)。

本文給出了機(jī)械智能能量采集的定義：能量采集系統(tǒng)能夠識別外部激勵或自身狀態(tài)并作出反應(yīng)，而不依賴于電氣元器件來實現(xiàn)自適應(yīng)或程序化功能，使外部激勵滿足系統(tǒng)要求或系統(tǒng)的動力學(xué)行為與機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制相匹配。因此，它可以減少系統(tǒng)對傳感器和復(fù)雜控制系統(tǒng)的依賴性，簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的輸出功率、電能質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)性、魯棒性和可靠性。特別是對于微小型器件來說，機(jī)械智能可以簡化復(fù)雜的系統(tǒng)，促進(jìn)微型化器件設(shè)計和制造，實現(xiàn)更優(yōu)越的性能。

圖1 機(jī)械智能溯源

圖2 機(jī)械智能能量采集的概述。機(jī)械智能能量采集分為三類：識別外部激勵并調(diào)控輸入激勵；識別外部激勵并調(diào)控能量采集系統(tǒng)；識別能量采集系統(tǒng)狀態(tài)并調(diào)控其自身行為。

該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動計劃等資助。張文明教授團(tuán)隊長期從事環(huán)境機(jī)械能量采集研究，揭示了弱激勵環(huán)境-壓電結(jié)構(gòu)力傳導(dǎo)與能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，建立了磁力耦合壓電能量采集系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計理論與方法；厘清了磁力耦合系統(tǒng)動力學(xué)行為與多穩(wěn)態(tài)勢能阱特征的映射關(guān)系，闡明了非線性振動能量采集寬頻機(jī)制。近兩年，該團(tuán)隊為解決能量采集系統(tǒng)對復(fù)雜環(huán)境與工況的適應(yīng)性難題，提出了機(jī)械智能能量采集設(shè)計方法，設(shè)計并制造了系列機(jī)械能量采集系統(tǒng)樣機(jī)。
責(zé)任編輯：彭菁