从自然界的致命攻击到安全防护：基于螳螂虾启发的超快能量转换技术及其在智能监控中的应用

为解决传统能量采集器功率密度低、频率依赖性强的问题，研究人员受螳螂虾(Odontodactylus scyllarus)超快攻击机制启发，开发了一种基于锁存介导弹簧驱动(LaMSA)机制的仿生能量采集器(MSEH)。该装置通过电磁感应实现机械能-电能高效转换，峰值功率密度达1,867 W/m3，单次触发可产生44.24 mJ能量。实际测试中，4个MSEH单元集成的地板系统可收集180 mJ能量，成功驱动雷达/摄像头模块实现无电池化智能监控，为物联网(IoT)基础设施提供了创新解决方案。

　　

在自然界中，螳螂虾以其惊人的攻击速度闻名——其附肢加速度可达10⁶ rad/s²，能产生空化气泡和冲击波。这种高效的生物力学能量转换机制长期吸引着科研人员的注意，但将其转化为实用能源技术仍面临挑战。传统电磁能量采集器普遍存在功率密度低（通常<100 W/m³）、依赖特定激励频率等问题，限制了其在物联网和智能监控领域的应用。

为解决这一技术瓶颈，香港科技大学（广州）的Guobiao Hu团队与香港中文大学合作，在《Device》发表了突破性研究。该工作通过仿生学方法，将螳螂虾的"弹簧-锁存"攻击机制转化为可工程化的能量采集系统。研究人员设计了双锁存机构（自锁锁存和按钮锁存）模拟生物锁存系统，结合磁阵列和线圈实现电磁感应，开发出螳螂虾启发能量采集器(MSEH)。

关键技术包括：1）基于高速摄像和激光多普勒测速的机械动力学表征；2）ANSYS Maxwell电磁场有限元模拟；3）PAHT-CF材料3D打印的快速成型技术；4）集成LTC3588-1能量管理单元(EMU)的电路设计；5）基于ConvNeXt架构的深度学习图像识别系统。

研究结果部分显示：

"Bio-inspired mechanism design"

通过高速摄像分析揭示了MSEH的五阶段工作机制：能量存储阶段缓冲弹簧可承受296.9 N载荷，临界位移9.14 mm；释放阶段磁阵列速度达6.5 m/s，超越生物原型性能。

"Power capability characterization"

电磁仿真与实验验证显示：6个线圈峰值电压>60 V，最优负载610 Ω时瞬时功率7.74 W。220 μF电容器测试中，四单元系统单次车辆通过可收集180 mJ能量，波动率<5%。

"Integration with an ultra-low-power radar system"

部署于减速带的MSEH系统成功驱动5.8 GHz雷达，检测范围7米。EMU的欠压锁定(UVLO)功能确保3.3 V稳定输出，蓝牙警报延迟<100 ms。

"Integration with an intelligent camera system"

结合ConvNeXt模型的摄像头系统实现100%分类准确率（40辆汽车/30行人测试集），单次触发功耗<60 mJ。

这项研究的意义在于：首次将螳螂虾的超快生物力学机制转化为实用能源技术，创造了1,867 W/m³的功率密度记录。通过创新的双锁存设计和自复位功能，解决了生物机制难以规模化的难题。实际演示证明，该系统可支持完全自供电的智能监控网络，为智能交通和城市基础设施提供了免维护解决方案。研究者特别指出，该技术突破不仅在于仿生设计，更在于通过工程手段克服了生物系统在质量放大时的效率损失问题，为未来生物启发能源系统开发树立了新范式。