上交學(xué)者提出機(jī)械智能能量采集方法論，為能量研究提供參考體系

“以智能連接一切”，人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT，Artificial Intelligence & Internet of Things）的出現(xiàn)讓萬物互聯(lián)增加了更多的可能性。隨著越來越多的電子設(shè)備投入使用，其產(chǎn)生的能源消耗問題日益顯著。因此，如何能夠?qū)δ芰亢侠?、持續(xù)性收集成為科學(xué)家們重點(diǎn)關(guān)注的方向。

在以往研究中，雖然能量收集方向不斷涌現(xiàn)出新的成果，但不可忽視的是，電力輸出差、環(huán)境適應(yīng)性弱、可靠性低等問題仍未得到解決。特別是考慮到傳感器可能在極端環(huán)境下使用，在此情境下進(jìn)行電池的更換或通過常規(guī)的電纜供電都充滿挑戰(zhàn)。

(資料圖)

根據(jù)英國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司 IDTechEx 報(bào)告，到 2030 年，具有能量收集功能的自供電無線傳感器模塊的市場(chǎng)需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 20 億美元甚至更多[1]。

圖丨上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)（來源：該團(tuán)隊(duì)）

基于此，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)、湖南工程學(xué)院魏克湘教授團(tuán)隊(duì)和西北工業(yè)大學(xué)周生喜教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了“機(jī)械智能能量采集”的新概念。

他們討論了機(jī)械智能能量采集方法論，對(duì)具備機(jī)械智能特征的能量采集系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述。并且，還對(duì)機(jī)械智能能量采集的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱，該論文提出的機(jī)械智能能量采集為能量研究提供參考體系，促進(jìn)能量采集技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。這篇文章條理分明、意義重大。

圖丨相關(guān)論文（來源：Advanced Energy Materials）

近日，相關(guān)論文以《機(jī)械智能能量收集：從方法論到應(yīng)用》（Mechanical intelligent energy harvesting：From methodology to applications）為題發(fā)表在 Advanced Energy Materials（IF29.698）上[2]，并入選編輯精選（Editor’s Choice）。

上海交通大學(xué)博士后研究員趙林川為論文的第一作者，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)周生喜教授為論文共同通訊作者。

圖丨機(jī)械智能溯源（來源：Advanced Energy Materials）

機(jī)械智能可以被定義為，在機(jī)械系統(tǒng)中，機(jī)械地對(duì)傳感、驅(qū)動(dòng)、控制、記憶、邏輯、計(jì)算、適應(yīng)、學(xué)習(xí)和決策進(jìn)行編碼。在生物進(jìn)化和人類發(fā)展中，機(jī)械智能發(fā)揮了不可或缺的作用，并在當(dāng)代社會(huì)中的前沿科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用。

那么，如何來理解機(jī)械智能能量采集呢？根據(jù)論文描述，能量采集系統(tǒng)在對(duì)外部激勵(lì)或者自身狀態(tài)進(jìn)行判別后，可自行進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，而非通過電氣元器件去實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)或程序化功能。通過這樣的方式，可以讓外部激勵(lì)達(dá)到系統(tǒng)要求，或讓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為與機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制相匹配。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，自適應(yīng)和編程功能在解決上述嚴(yán)重制約能量收集技術(shù)發(fā)展的問題方面表現(xiàn)出巨大的潛力。機(jī)械智能化將有力地推動(dòng)能量收集技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，是自供電 AIoT 未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖丨機(jī)械智能能量采集的概述。（來源：Advanced Energy Materials）

回顧過去幾十年的研究進(jìn)展，能量采集技術(shù)在不斷進(jìn)步，然而當(dāng)下想實(shí)現(xiàn)能量采集技術(shù)“走出”實(shí)驗(yàn)室，仍然受相關(guān)的技術(shù)難題局限。面對(duì)復(fù)雜環(huán)境，能量采集系統(tǒng)該怎樣適應(yīng)呢？作者們認(rèn)為，利用本次新提出的“機(jī)械智能能量采集設(shè)計(jì)方法論”，可應(yīng)對(duì)相關(guān)情況。

應(yīng)用該設(shè)計(jì)，能夠使能量采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新功能——自適應(yīng)及程序化。在以往研究中，已有科學(xué)家通過設(shè)計(jì)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(jì)方法尚未被明確定義、分析和總結(jié)。

所以，它能夠有效地使系統(tǒng)對(duì)傳感器與復(fù)雜控制系統(tǒng)的依賴性及復(fù)雜性降低，并提高系統(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。尤其是針對(duì)微小型器件，機(jī)械智能能夠讓復(fù)雜的系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。這將驅(qū)動(dòng)微型化器件設(shè)計(jì)與制造，進(jìn)而使其達(dá)到性能更佳。

圖丨機(jī)械智能能量采集的發(fā)展路線圖（來源：Advanced Energy Materials）

本次研究并不是單一的成果，近年來，張文明教授團(tuán)隊(duì)致力于為能量采集系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境與工況的適應(yīng)性問題提出解決方案。他們通過提出機(jī)械智能能量采集設(shè)計(jì)方法，制造出系列機(jī)械能量采集系統(tǒng)樣機(jī)。據(jù)悉，該技術(shù)已獲得專利授權(quán)，并在企業(yè)產(chǎn)品方案升級(jí)與新產(chǎn)品研發(fā)方面應(yīng)用。

參考資料：

1.A. Alagumalai, O. Mahian, K. E. K. Vimal, L. Yang, X. Xiao, S. Saeidi, P. Zhang, T. Saboori, S. Wongwises, Z. L. Wang, J. Chen, Nano Energy 2022, 101, 107572. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107572

2.Chuanlin Zhao et al. Advanced Energy Materials（2023）. https://doi.org/10.1002/aenm.202300557

責(zé)任編輯：Rex_27