软磁弹性能量转换：能源收集与自供电传感技术的前沿领域

《Progress in Materials Science》：Soft magnetoelastic transduction: the cutting-edge frontier in energy harvesting and self-powered sensing

　　摘要

软磁弹性转换作为一种新的机械能到电能转换的范式，通过利用机械变形引起的磁通量变化来实现，而不是依靠界面电荷转移。与传统压电和摩擦电机制相比，磁弹性系统具有低内阻、高电流输出、固有的防水性能以及优异的环境稳定性，使其成为下一代自供电能量收集和自供电传感的有希望的技术。本综述首次提供了关于软磁弹性转换的全面且以机制为导向的视角。我们建立了一个统一的框架，将巨磁弹性效应与磁粒子-粒子相互作用（MPPI）、磁偶极-偶极相互作用（MDDI）、软磁弹性材料结构设计和电磁感应联系起来，从而将基础材料科学与设备性能联系起来。我们进一步批判性地回顾了可穿戴和植入式生物电子学、人机界面、机器人自供电传感、环境能量收集以及自供电电化学系统的最新进展。代表性应用包括基于人工智能的silent语音识别、植入式心脏监测、多模态机器人皮肤、风能和海洋波浪能量收集以及海水电解。最后，我们讨论了材料设计策略、结构-性能关系、当前挑战以及未来的研究方向，确立了软磁弹性转换作为自主能源、传感和智能生物电子系统变革性材料平台的地位。

引言

向可持续电气系统的过渡需要分布式和耐用的能量收集技术，这些技术能够适应各种操作环境[1]、[2]、[3]、[4]。随着可穿戴设备、机器人和环境传感网络从数千个节点扩展到数十亿个节点，能量需求正从传统的电池供应转向局部自供电操作[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。现代设备必须具备生物相容性，以便用于皮肤应用；对操作环境的机械适应性；对湿度和浸水的化学抵抗力；以及在低内阻下产生足够电压和电流的能力，以直接为当代电子设备和执行器供电[10]、[11]、[12]。在这种技术范式下，传统机械能到电能转换方法的局限性，在实际应用中变得越来越明显[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。这些局限性包括在容易出汗的可穿戴设备中的性能下降，在水下环境中的功能受损，对宽频和低频振动的响应不足，以及对于高功率边缘负载的电流输送不足[29]、[30]。作为对这些系统约束的回应，软物质系统中的磁弹性转换框架应运而生，成为一个有前途的替代方案[31]。现有的综述将磁性软物质作为一个广泛的类别来讨论，仅将巨磁弹性效应作为许多磁响应材料系统中的一个例子提及，或者仅专注于能量收集或可穿戴传感等个别应用领域。本综述在三个方面有所不同：它专门围绕软物质中的巨磁弹性效应进行组织，而不是将其作为更广泛磁性材料调查中的一个子主题；它明确了磁弹性效应与磁致伸缩的区别，这一区别在之前的文献中并不总是保持一致，并决定了哪些设备架构属于其范围；它将粒子级相互作用框架与互补的连续场描述结合起来，提供了多尺度的机制解释。

传统的机械能收集技术从根本上受到其跨各种界面的电荷操纵机制的约束[32]、[33]、[34]、[35]。摩擦电纳米发电机（TENGs）利用接触电化和静电感应，在摩擦或接触分离周期中产生基于表面电荷的高电压[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。然而，它们的输出电流仍然有限，且内阻通常非常高（常常超过10^6 Ω），这为直接向低阻负载供电带来了挑战，除非有能量存储或阻抗匹配电路[42]、[43]、[44]、[45]。当与下一代生物电子学的操作要求进行比较时，传统机械能收集策略的局限性变得越来越明显。新兴的可穿戴和植入式边缘设备需要能量收集器，这些收集器能够同时提供：(i) 低内阻，以便高效地向电阻性和电感性负载传输能量，同时将电压损失降到最低；(ii) 高短路电流输出，足以直接驱动模拟前端、触觉执行器和微流体系统，同时最小化对中间能量存储的依赖；(iii) 在水性条件下可靠运行，包括暴露在汗液、降雨和完全浸没的情况下；(iv) 对低频机械激励（≤30 Hz）、环境振动（1–10 Hz）和不规则海浪（通常≤10 Hz）具有高敏感性，无论刺激的方向如何；(v) 与柔软、可拉伸的外形因素具有内在兼容性，这些外形因素在机械上与生物组织相匹配，并能够适应复杂的曲线表面，而不会引起应力集中或界面分层[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]。压电和摩擦电发电机主要产生高电压、低电流输出，具有电容性/高阻抗的电特性。因此，为了实际向低阻负载（包括执行器、微加热器和电化学设备）输送有用电力，通常需要整流、能量存储和/或阻抗匹配的电源管理电路[56]、[57]、[58]、[59]。在水环境或暴露于汗液的情况下，磁耦合发电机可以通过非接触式磁场驱动，而无需暴露的电荷分离界面，而摩擦电输出通常对水分引起的表面传导、离子屏蔽和电荷泄漏敏感。因此，基于电荷的发电机通常需要 deliberate 包装或表面工程才能在潮湿环境中运行，这可能会引入机械硬度、厚度或质量的权衡[60]、[61]。刚性电磁发电机具有电感性、低阻抗的输出特性，但需要磁体和线圈之间的相对位移，而磁弹性薄膜则在原位产生磁通量变化，因此保持薄而贴合皮肤的外形因素。与此框架一致的是，报道的磁弹性设备在内阻远低于摩擦电发电机的情况下，能够在毫安级电流范围内运行，并且在喷雾和完全浸没的情况下保持输出，而无需封装，而基于电荷的设备在相同条件下会表现出显著的性能下降。

2021年，首次在软物质系统中报告了巨磁弹性效应[62]、[63]，为机械能到电能转换建立了新的材料基础。基于这一创新，同一研究团队开创的软磁弹性生物电子设备提供了多功能架构，解决了上述能量收集[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、自供电传感[75]、[76]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]、[82]、[83]、[84]和个人化治疗[68]、[69]、[85]、[86]、[87]、[88]中的限制。由于软磁弹性转换依赖于体磁通量变化而不是界面电荷，传感器输出对湿度和机械磨损具有更大的抵抗力[69]、[70]、[71]、[74]。由于磁场可以穿透软组织，传感可以无线进行或采用分离配置，磁化薄膜与远程霍尔传感器之间有显著的距离。这通过将脆弱电子设备与高应力区域隔离，保持了机械完整性[89]。这一原理已应用于开发三维、力解耦的压力传感器，使用向心磁化薄膜，在剪切力和正常力辨别方面的错误率低于2%，同时实现了类似鱼类侧线系统的适应性强robotic grasping和水下流感知[90]、[91]。同样，具有可编程屈曲功能的磁弹性超材料结合了自供电机械传感（产生微安级电流和毫伏信号）和高能量耗散（损耗系数超过49%），以保护负载并在潮湿环境中分类冲击和手势[92]。由于相同的软磁弹性层既可以用作传感换能器，也可以通过电磁耦合作为紧凑的执行器驱动器，因此它们实现了集成传感-执行器架构[93]、[94]。推动磁弹性发展的主要技术动力是解决当前限制传统机械能收集器的瓶颈[66]。传统的压电和摩擦电发电机虽然能够产生高电压，但通常只能产生微安级电流，内阻在兆欧姆范围内[95]、[96]、[97]、[98]。这种根本性的阻抗不匹配严重限制了它们直接为电流密集型应用（如微加热器、执行器、无线发射器和电化学系统）供电的能力，除非有复杂的电源调节电路[99]、[100]。在全罗北道大学大学范围研究设施（CURF）进行了各种分析。

磁弹性系统可以在低阻抗下产生高电流，从而直接为Joule加热纺织品供电，用于个性化温度调节；实时电化学水分解以生产氢气；以及高电流生物医学设备，而无需中间能量存储[70]、[80]、[101]。磁弹性转换的内在防水特性解决了现有技术固有的环境脆弱性问题。水分侵入和湿度暴露是基于电荷的能量收集器的主要故障模式，通常需要复杂的封装策略，这会降低机械灵活性、增加系统质量并降低功率密度[102]、[103]、[104]。磁弹性系统利用了磁场在水中传播时几乎不受衰减的基本特性，消除了在水下或高湿度环境中保护屏障的需要[11]。这种能力使得多种应用成为可能，包括受鱼类启发的侧线传感用于水下导航、连续海洋操作中的海洋波浪能量收集，以及在体力活动期间保持一致性能的抗汗可穿戴设备[70]、[105]。高电流生成、固有的环境适应性和多功能性的结合，使磁弹性成为下一代可穿戴生物电子设备、自主传感网络和可持续能源系统的有希望的平台。本综述从机制到设备再到功能进行了探讨：首先建立了软物质中巨磁弹性的物理基础，然后将其工程化为磁弹性发电机，接着是发电机执行的三种功能：机械能收集、自供电机械传感和个人化治疗，最后是定义该领域下一阶段的挑战。

### 软磁弹性材料

这里的磁弹性效应定义为在具有柔顺性的、加载有粒子的聚合物基质中，将机械应力或应变转换为可测量的磁通量密度变化，这构成了机械能到磁能的转换。在机制和方向上，它与磁致伸缩不同，后者是由外部施加的磁场引起的机械变形，主要应用于驱动和软体机器人。

### 基本机制和输出调制

从实际角度来看，磁弹性能量转换将巨磁弹性效应与法拉第电磁感应定律结合起来，如图2e所示。MEG由作为机械-磁耦合元件的软磁弹性薄膜和提供电磁感应的导电线圈组成。这一两步能量转换过程通过磁弹性效应将机械应力转换为磁通量变化，然后进一步转换。

### 风能收集

同样的磁机械转换机制也可以支持环境能量收集。与以身体为中心的传感应用不同，环境收集需要在大的和变化的机械激励下持续产生高电流输出。压电和摩擦电发电机在机械能到电能转换领域的主导地位，因为它们能够在小驱动下产生高开路电压。

### 防水可穿戴生物传感

软磁弹性材料为生物医学监测提供了一个多功能平台，克服了传统可穿戴和植入式传感器的基本限制，即对湿度的敏感性、高内阻和机械刚性，通过将机械变形转换为柔性弹性基质内的磁通量变化。这些软磁弹性材料提供低阻抗的电输出、固有的防水性能和类似皮肤的灵活性，使得...

### 植入式心血管监测

图11展示了可重构液体心脏传感器如何与皮肤的复杂地形实现改进的贴合接触，在灵敏度和信号保真度方面优于传统的固态传感器[131]、[132]。与刚性设备不同，液体传感器的永久性流体磁铁（PFM）滴液无需外部压力即可适应手腕上的微皱纹、褶皱和动态折叠（图11a–d）。这种贴合的皮肤界面消除了通常会减弱信号的空气间隙。

### 展望和前景

这些多样化的操作条件突显了根据特定的机械、热和环境要求量身定制磁弹性材料系统的重要性。磁弹性应用的广泛性，从植入式心脏监测和神经运动诊断，到语音合成喉贴和机器人触觉皮肤，再到风能和海洋波浪能量收集器以及海水电解系统，强调了需要一个系统框架来指导材料选择和设备设计。

### CRediT作者贡献声明

Hyunseung Kim：撰写 - 审查与编辑、撰写 - 原稿、可视化、调查。
Taeuk Eom：撰写 - 审查与编辑、撰写 - 原稿、可视化、调查。
Yebin Lee：可视化、调查。
Farid Manshaii：验证、调查。
Minjeong Ha：撰写 - 审查与编辑、可视化、监督、调查。
Jun Chen：撰写 - 审查与编辑、撰写 - 原稿、验证、监督、项目管理、资金获取。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

### 致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）、研发成果商业化促进机构（COMPA）以及信息与通信技术规划与评估研究所（IITP）的支持，后者由科学与ICT部（MSIT）资助（RS-2025-22932983、RS-2023-00304743和RS-2026-25584577）。本项工作得到了技术创新计划（或产业战略技术发展计划-产业技术炼金术）的支持。
参与人员：Hyunseung Kim、Taeuk Eom、Yebin Lee、Farid Manshaii、Minjeong Ha、Jun Chen、Chang Kyu Jeong