一种受毛毛虫启发的摩擦电振动能量收集器的设计与研究

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Design and investigation of a caterpillar-inspired triboelectric vibration energy harvester

　　

摘要

环境振动，如机械振动，其特点是频率低且带宽宽。传统振动能量收集器难以收集低频振动能量，且通常受限于较窄的能量收集带宽。为解决这些问题，本文提出了一种受毛毛虫运动启发的摩擦电振动能量收集器（CTVEH），灵感来源于毛毛虫运动过程中动能与势能的相互转换。CTVEH的主要创新在于一种新型双稳态结构的仿生设计与摩擦电能量收集器的集成，利用非线性效应实现在宽频带下高效收集低频振动能量。首先，详细阐述了CTVEH的设计、原理与建模。其次，通过数值方法研究了机电耦合特性。此外，通过改变关键参数考察了CTVEH性能的变化规律，并阐明了性能增强机制。最后，进行了实验验证、耐久性测试和应用演示。结果表明，CTVEH能够高效收集低频振动能量，在激励振幅A=0.010 m、频率f=19 Hz时，最大输出功率达到1.60 mW。适当选择参数可获得最优输出性能并拓宽能量收集带宽。CTVEH具有长寿命和高耐久性，能够驱动微型传感器和低功耗电子设备，在结构健康监测和智能传感领域具有广阔的应用前景。因此，所提出的CTVEH为解决低频、宽带振动收集难题提供了一种有效方案。

引言

随着人工智能（AI）技术的进步，智能产业已渗透到各个领域，包括汽车行业的智能交通[1,2]、机械行业的智能制造[3,4]以及医疗行业的智能诊断[5,6]。这些应用需要大量不同类型的传感器来获取各种信号，以供AI驱动分析，从而实现自主智能运行[7,8,9]。这些传感器的传统供电方式依赖于电池或电网连接[10]。然而，传感器的数量庞大且分布广泛，使得传统方法存在问题，包括电池更换成本高、废旧电池回收困难以及复杂的电网布线基础设施[11]。这些局限性严重阻碍了相关产业的智能化转型。因此，开发可持续、经济环保的传感器供电方案是进一步推动智能产业发展的重要途径。

在高速铁路等交通领域和机械行业的专用设备中，存在大量未被利用且环保的能量来源[12,13,14,15]，包括风能[16,17,18]、波浪能[19,20,21]、振动能[22,23,24]和人体运动能[25,26,27]。这些环境能量可以通过各种方式——包括压电[28,29,30]、电磁[31,32,33]、摩擦电[34,35,36]和热电[37,38,39]方法——转化为电能，为传感器提供可持续、稳定的电力，是传统供电方式的可行替代方案。迄今为止，全球范围内已对上述方法收集可再生环境能量进行了广泛研究[40,41,42,43]。例如，Cao等人[44]开发了一种压电风能收集器，通过引入V形结构设计提高了能量收集效率。Mei等人[45]利用磁耦合与压电机制的组合设计了一个非线性系统来收集振动能量。受翻斗器启发，Pan等人[46]开发了一个非线性电磁系统来收集波浪能量。Zhang等人[47]基于压电能量收集器建立了理论模型，并研究了其在多源激励下的机械和输出性能。此外，许多研究者利用环境能源实现了传感器的自供能运行[48,49,50,51]。例如，Chen等人[52]通过收集人体运动能设计了自供能可穿戴系统，实现了下肢运动监测。Zhou等人[53]基于摩擦电机制开发了机械计算超结构，实现了振动传感。Masabi等人[54]开发了一种旋转能量收集器，能够实现全方向水平能量收集，同时实现自供能传感。Zhu等人[55]提出了一种混合发电机用于检测航空发动机管道状态。

作为一种新兴技术，摩擦电能量收集方法最早于2012年被提出[56]，并迅速成为能量收集领域的主要研究热点。经过多年发展，摩擦电能量收集器（TEHs）通常分为四类：滑动模式TEH[57,58,59]、接触分离模式TEH[60,61,62]、自由站立层TEH[63,64,65]和单电极TEH[66,67,68]。迄今为止，已提出了各种TEH来收集环境能量[69,70,71,72]。例如，Tan等人[73]设计了一种滑动模式TEH，用于高效收集振动能量。Xu等人[74]将滑动模式和接触分离模式相结合，有效提高了TEH的性能。Wang等人[75]开发了一种自由站立层TEH，实现了人体运动能的高效收集。Mao等人[76]设计了一种单电极TEH，用于收集轮胎滚动时的机械能。此外，仿生设计在TEH领域具有独特优势。例如，受含羞草启发，Liao等人[77]提出了一种自适应摩擦电-电磁纳米发电机，实现了智能风速传感和能量收集。Zou等人[78]模仿电鳗细胞膜离子通道的结构设计了一种可拉伸仿生纳米发电机，用于水下能量收集。Fang等人[79]基于峡谷效应提出了一种由双凹形流量放大器增强的高适应性环境能量收集器，实现了高效风能收集，在智慧农业应用中前景广阔。此外，后续研究已将TEH的应用拓展到智能传感[80]、智能可穿戴设备[81]、电子皮肤[82]和无线通信[83]等领域。例如，Liu等人[84]利用仿生多孔材料设计了摩擦电传感器，实现了无线智能传感。Wang等人[85]提出并综述了多种用于可穿戴设备应用的TEH。Yao等人[86]基于仿生TEH开发了电子皮肤，用于机器人触觉传感。Wang等人[87]利用TEH实现了红外无线通信。

由于滑动模式TEH的输出与其滑动距离相关[88]，因此被广泛应用于振动能量收集[89]。振动能量作为一种常见的环境能源形式，广泛分布于运输车辆[90]、机械结构[91]、专用设备[92]和建筑基础设施[93]周围。迄今为止，全球学者已通过各种方法实现了振动能量收集[94,95,96,97]。例如，Li等人[98]开发了一种非线性振动能量收集器，研究了其非线性机械特性，证明引入非线性有助于提高其性能。Wang等人[99]提出了一种梳齿状TEH，能够在齿轮传动过程中收集能量，同时监测其运行状态。Zhao等人[100]通过将滑动模式和冲击模式耦合实现了多方向振动能量收集。Zhi等人[101]开发了一种弹性边界振动能量收集器，表现出优于传统振动能量收集器的性能。然而，环境振动具有频率低、带宽宽的特点，传统能量收集器难以在宽频带下收集低频振动能量。为提高收集效率，一些研究者通过耦合多种能量收集技术提出了混合振动能量收集方法[102]。尽管这些方法可以在特定频率下提高输出性能，但能量收集带宽仍然较窄，不适合低频、宽带振动能量收集。因此，在宽频带下高效收集低频振动能量仍是振动能量收集领域持续存在的瓶颈。

为解决低频振动能量收集难题，本工作基于毛毛虫运动过程中动能与势能的相互转换，提出了一种受毛毛虫启发的摩擦电振动能量收集器（CTVEH）。CTVEH的核心创新在于双稳态结构的仿生设计与摩擦电振动能量收集器的集成。与现有传统装置相比，CTVEH由于引入的非线性，能够在低频区域产生大幅动态响应，从而在宽频带下将低频振动能量高效转换为电能。

本文结构如下。第2节详细阐述了CTVEH的设计概念和工作原理，并建立了其理论模型。第3节通过数值方法研究了CTVEH的机电耦合性能，并分析了其内在机理。此外，考察了关键参数的影响，并阐明了电气性能增强的机制。第4节对理论模型进行了验证，对原型进行了耐久性测试，并展示了实际应用。第5节总结全文，归纳主要发现。

设计、原理与建模

本节基于毛毛虫的运动模式设计了一种双稳态结构，并将其与滑动模式TEH集成，从而开发出CTVEH。首先，介绍了CTVEH的设计概念。随后，详细阐述了摩擦电层之间的电荷转移行为及CTVEH的工作原理。最后，建立了CTVEH的理论模型，并分析了其静态特性。

机电耦合性能

本节对理论模型进行数值求解，以研究CTVEH的机械行为和电气性能，并分析其电气输出与机械响应之间的内在关系。数值计算中采用的设计参数总结见表1。此外，通过改变激励振幅、阻尼系数、梁间距和配重质量来考察CTVEH性能的变化规律。值得注意的是……

实验

本节对CTVEH进行了实验验证、耐久性测试和应用演示。首先，为了验证CTVEH的理论模型并评估其鲁棒性，制作了原型并搭建了性能测试平台（图8）。实验配置包含以下连接：计算机与控制器、控制器与执行器、执行器与水平振动……

结论

基于毛毛虫的运动模式及其动能-势能转换机制，本文提出了一种受毛毛虫启发的摩擦电振动能量收集器（CTVEH）。建立了CTVEH的理论模型，并通过数值方法研究了其机电耦合性能。此外，通过改变激励振幅、阻尼系数、梁间距和配重质量，探讨了它们对CTVEH性能的影响。最后，一个……

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Dongguo Tan：方法论、概念化、调查研究、撰写初稿、形式分析、资源获取、经费获取、审稿与编辑。Fengjuan Yuan：调查研究、可视化、数据整理、验证。Jiaxi Zhou：审稿与编辑、经费获取。Kai Wang：审稿与编辑、经费获取。Jian Peng：数据整理、验证。Changqi Cai：审稿与编辑、经费获取。

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