仿生花瓣结构双向振动能量收集与传感系统：准零刚度机制助力低频环境能量捕获

《Renewable Energy》：Bidirectional Vibration Energy Harvesting and Sensing System with Biomimetic Petal Architecture

本文推荐一款仿生花瓣结构双向振动能量收集系统（FLB-EH），其创新性融合准零刚度（QZS）机制与花朵自适应形态，有效解决了环境振动能量收集中的定向适应性难题与低频捕获效率低两大瓶颈。该系统通过仿生设计与非线性电机械耦合模型，实现了双向低频振动能量高效转换，兼具自供电传感功能，为物联网（IoT）分布式监测提供了可持续能源解决方案。

　　

亮点

设计与工作原理

图1展示了花朵启发的双向振动能量收集器（FLB-EH）的计算示意图及其在多向能量收集研究中的显著进展。该仿生设计借鉴了自然花朵独特的形态特征和动态响应机制，花朵具有径向对称的花瓣结构，能响应湿度和光照等环境刺激（图1a）。利用这一仿生概念，FLB-EH集成了...

分析

为系统研究FLB-EH的能量收集能力，本研究通过全面的力学分析建立了其数学模型。首先进行静态和动态分析，分别表征水平和垂直方向的机制。随后进行数值模拟，以阐明动态响应与电输出特性之间的基本耦合关系。最后，研究了激励方向对...

实验

从理论建模到实验验证的过渡通过一系列精心设计的测试完成，以评估系统性能。值得注意的是，所有实验均在单轴激励下进行，包括水平和垂直方向。首先进行了全面的动态响应测试，以评估水平方向的性能特征，结果如图8（a-f）所示。实验配置采用了钕...

结论

受花朵形态特征启发，本研究开发了一种花朵状双向振动能量收集器（FLB-EH），它协同结合了高效能量收集与自供电振动监测功能。创新的混合摩擦电-压电架构实现了双模式操作，既实现了出色的能量转换效率，又具备了灵敏的振动检测能力。理论预测和实验测量一致表明...