信息技术的飞速发展使得物联网(IoTs)技术得到了更加深入的研究，由海量低功耗电子元器件构成的传感器网络(WSNs)是实现人、机、物互联互通智慧城市的重要组成部分。将环境中广泛且随机分布的磁场能、机械振动能等各种可再生清洁微能源转化为电能以供电子传感器件工作，将为真正的分布式智能传感铺平道路。现实中充满了来自于现代电网的时变复杂电磁场环境，基于磁扭力效应和压电效应的磁-机-电能量采集器能够同时俘获环境中的磁场能和振动能，成为当前微能源器件研究重点。然而，传统的悬臂梁等结构一旦固定，仅能在特定方向感知采集磁场能量，难以在真实电磁环境中实现三维任意方向杂散磁场能的最大化有效俘获。
2024年1月23日，能源领域国际顶级期刊Energy & Environmental Science在线报道了董蜀湘教授团队在微能源采集研究领域取得的重要进展。论文题目为：Giant tridimensional power responses in a T-shaped magneto–mechano–electric energy harvester (DOI: 10.1039/d3ee03634k)。在前期工作中，团队提出了压电超材料的协同模态设计方法（Science Advances, 2019, eaax1782），受此启发，本工作设计了独特的弯-扭协同工作模态，仅在单一的T型悬臂梁结构能量采集器中实现了三维正交磁场的高效响应和磁场能量采集。
图1 T形磁机电能量采集器及在三维磁场激励下的振动模态
图2 T形磁-机-电能量采集器的能量采集性能
图3应用实例
实验结果表明，工作在同相弯曲模式下的T形梁磁-机-电能量采集器，在Hac= 1.75 Oe的弱磁场激励下，可产生98.5 mW的峰峰值输出功率，比传统悬臂梁结构磁-机-电能量采集器的报道的最高输出功率高出262%。本工作建立的等效力学模型指出，新型T形梁器件中的强化的磁机电耦合和输出功率性能源于高达100倍的挠度增益值。此外，论文展示了在0.5 Oe的弱磁场激励下，甚至通过收集常见吹风机产生的杂散磁场，T形梁采集器所产生的能量足以实时驱动无线传感器通信系统。
本文提出的基于弯扭协同模态新概念的T型结构能量采集器具备三维正交方向的磁-机-电耦合能力、优异的功率输出性能以及未来在物联网系统自供能模块中的应用潜力，并且将对未来众多基于磁机电耦合原理的器件（如磁场传感器、机械天线等）设计都具有指导和启发意义。
该论文的第一作者是北京大学材料科学与工程学院23届毕业生余中辉博士，环球360管理登录董蜀湘教授、北京科技大学数理学院杨继昆副教授是该论文通讯作者。这项研究获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金、博新计划的支持。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ee/d3ee03634k
