壓電式人體能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀

陳馳　劉進(jìn)超

摘 要

針對(duì)人體的能量分布以及可利用的潛力，詳細(xì)介紹了人體呼吸、血壓、肢體運(yùn)動(dòng)所蘊(yùn)含的能量，并從裝置設(shè)計(jì)、綜合性能以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面系統(tǒng)地綜述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外利用正壓電效應(yīng)采集人體能量的主要研究成果，最后對(duì)壓電式人體能量收集的后續(xù)研究和發(fā)展方向提出了展望。

關(guān)鍵詞

壓電式;人體能量;能量收集

中圖分類(lèi)號(hào)： TM919 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.09

0 引言

人體具有源源不斷的充沛能量，目前對(duì)人體能量收集的方式主要有壓電式、靜電式和電磁式，其中壓電式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率密度大、易于加工制作等優(yōu)點(diǎn)，成為近20年來(lái)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。在此，從能量來(lái)源、裝置設(shè)計(jì)、采集電路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面系統(tǒng)地綜述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外壓電式采集人體各個(gè)部位能量的主要研究成果，并對(duì)后續(xù)研究和發(fā)展方向提出展望。

1 壓電發(fā)電原理

壓電發(fā)電原理主要應(yīng)用到了壓電材料的正壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電材料受到外機(jī)械力作用時(shí)，壓電材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)電荷不對(duì)稱分布的現(xiàn)象，從而在其表面會(huì)有符號(hào)相反電荷的產(chǎn)生，其產(chǎn)生的電荷密度與受到的外機(jī)械力成正比。壓電式人體能量收集技術(shù)就是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)來(lái)收集低頻的人體能量。

2 壓電式人體能量收集的研究現(xiàn)狀

早在1984年， Hausler[1]將PVDF壓電薄膜固定在狗的肋骨上，收集狗在呼吸時(shí)肋骨伸張運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量，研究結(jié)果表明，狗在自然呼吸時(shí)，可產(chǎn)生18V的輸出電壓，輸出功率約為17。優(yōu)化PVDF壓電換能器形狀，使之更加貼合狗的肋骨，最終測(cè)試發(fā)現(xiàn)，壓電換能器輸出能量能夠達(dá)到1左右。1996年， Thad Starner[2]利用壓電陶瓷來(lái)收集人們?cè)陂_(kāi)、合筆記本電腦時(shí)產(chǎn)生的能量，欲以驅(qū)動(dòng)筆記本電腦工作。通過(guò)這兩項(xiàng)研究開(kāi)始了利用正壓電效應(yīng)收集人體各個(gè)部位能量的研究領(lǐng)域。

2.1 壓電式人體足底能量收集

人體在行走過(guò)程中，足底沖擊地面產(chǎn)生的能量很大，所以在對(duì)人體能量收集的眾多方案中，足底是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。1998年，美國(guó)麻省理工（MIT）多媒體實(shí)驗(yàn)室Kymissis等[3]為了收集人體在行走時(shí)足底產(chǎn)生的能量，將PZT（壓電陶瓷）和PVDF（聚偏二氟乙烯）薄膜分別安裝在運(yùn)動(dòng)鞋的腳后跟和前腳掌處，如圖1（a）所示。前腳掌處采用2mm厚的六邊形的柔性塑料基底兩邊各粘貼8層28的PVDF，工作模式為，收集人體行走時(shí)，前腳掌彎曲產(chǎn)生的能量;腳后跟處采用粘貼在彎曲彈簧鋼上的5×5×0.038cm的PZT，收集人體行走時(shí)，腳跟沖擊地面的能量。在外接250負(fù)載、1Hz行走頻率的條件下，PVDF輸出峰值功率約為20，平均功率為1.1，PZT的輸出峰值功率約為80，平均功率1.8。隨后，該實(shí)驗(yàn)室的Shenck等[4]改進(jìn)了腳跟處俘能器的結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示，在彎曲的不銹鋼上背對(duì)背粘貼兩個(gè)PZT單晶片，在外接500k負(fù)載、0.9Hz行走頻率的條件下，平均輸出功率為8.4。

2013年，Daniels等[5]設(shè)計(jì)了一種矩形屈伸的能量收集器，如圖2（c）所示，從人體行走中，腳與地面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中收集能量。撓性端蓋一方面擴(kuò)大了向下施加的力，另一方面保護(hù)了壓電元件免受沖擊。收集器被放置在靴底中，在1.4Hz運(yùn)動(dòng)頻率、760N的沖擊下，壓電鞋產(chǎn)生2.5的平均功率，并能夠獨(dú)立地為無(wú)線傳感器模塊供電。

2014年，Rich Meier等[6]設(shè)計(jì)了一種集成在傳統(tǒng)鞋子中的壓電能量收集系統(tǒng)，如圖2（a）所示，通過(guò)收集足底沖擊地面產(chǎn)生的能量，用以驅(qū)動(dòng)人體足底六個(gè)位置的壓力傳感器，來(lái)反映神經(jīng)性系統(tǒng)疾病患者的健康狀況。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)身高180cm、體重90.7kg的男性使用者，平均每一步可捕獲10-20的能量，所收集的能量足以驅(qū)動(dòng)壓力傳感器正常工作。

同年，Zhao等[7]開(kāi)發(fā)了一款PVDF內(nèi)嵌式壓電能量收集鞋，如圖2（b）所示。在設(shè)計(jì)中，為了獲得高輸出功率，將8層PVDF壓電薄膜堆疊在一起，并將它們夾在兩個(gè)波浪形表面之間，如圖3所示，將堆疊的PVDF壓電薄膜固定在下板的兩端，上板利用腳的沖擊被激勵(lì)，上板向下移動(dòng)，PVDF薄膜被拉伸并貼合在波浪形表面。在1Hz的步行頻率下，該壓電鞋可產(chǎn)生峰值電壓136V，峰值功率為4，平均功率為1。

2.2 壓電式人體胸部能量收集

Manisha等[8]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種壓電式肺活量計(jì)，在不干擾肺參數(shù)測(cè)量的前提下，使用PVDF（聚偏二氟乙烯）壓電薄膜對(duì)呼氣時(shí)產(chǎn)生的能量進(jìn)行收集。實(shí)驗(yàn)采用校準(zhǔn)的注射器模擬人體呼吸的動(dòng)作，在管徑40mm時(shí)的輸出電壓最大，達(dá)到1.1V。此外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)不同身高、體重、年齡和性別的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明身高、年齡與輸出電壓成正相關(guān)，體重對(duì)輸出影響較小，男性參與者呼氣時(shí)平均可產(chǎn)生1.3V的輸出電壓，女性參與者平均可產(chǎn)生0.7V的輸出電壓。

Hamid等[9]設(shè)計(jì)了一種基于人體呼吸運(yùn)動(dòng)的能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由改進(jìn)的腰帶、壓電薄膜陣列和集成電路組成。在不影響正常呼吸的前提下，安全且便捷地對(duì)人體呼吸時(shí)腹部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量進(jìn)行收集。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，使用10層的壓電薄膜陣列制成的腰帶，平均可輸出1.5的功率。

2.3 壓電式人體心臟跳動(dòng)能量收集

2014年，Dagdeviren等[10]提出一種基于應(yīng)變的能量采集器，如圖4（a、b）所示，用以收集心臟收縮和舒張產(chǎn)生的能量。將厚度500nm的PZT帶夾在兩金屬電極之間，固定在柔性的PI（聚酰亞胺）襯底上，并用生物相容性材料封裝起來(lái)，能量收集器中還集成了橋式整流器和毫米級(jí)的電池，用以采集和存儲(chǔ)能量。柔性的能量收集器固定在牛和綿羊心臟的心室表面，其產(chǎn)生的最大開(kāi)路電壓為4-5V，使用多層堆疊結(jié)構(gòu)，其最大功率密度可以達(dá)到1.2。

同年，Hwang等[11]設(shè)計(jì)了一種基于單晶PMN-PT壓電薄膜的心臟能量收集器，如圖4（c、d）所示，用以實(shí)現(xiàn)人體心臟起搏器的自供電工作。柔性的PMN-PT壓電薄膜在手指周期性的彎曲下，產(chǎn)生的電流和電壓分別為145和8.2V，通過(guò)手指敲擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生最高的電流輸出是223，產(chǎn)生的電能成功地點(diǎn)亮50個(gè)LED燈。最后在進(jìn)行的活鼠實(shí)驗(yàn)中，成功對(duì)其心肌實(shí)施實(shí)時(shí)功能性電刺激。2017年，該課題組在豬的體內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得柔性的能量收集器的短路電路為1.75和開(kāi)路電壓為17.8V。

（a）堆疊式的能量采集器（b）收集綿羊心臟能量

（c）PMN-PT壓電薄膜（d）活鼠電刺激實(shí)驗(yàn)

2.4 壓電式人體腿部能量收集

Pozzi等[12]設(shè)計(jì)了一種壓電式人體腿部運(yùn)動(dòng)能量收集裝置，如圖5（a）所示，利用人體步行時(shí)小腿的擺動(dòng)，來(lái)收集腿部產(chǎn)生的能量。能量收集裝置主要由轉(zhuǎn)子、定子、撥片和壓電懸臂梁組成，將其安裝在人體腿部膝關(guān)節(jié)處，步行時(shí)，利用小腿的擺動(dòng)帶動(dòng)撥片，從而驅(qū)動(dòng)壓電懸臂梁收集能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在人體背上24kg負(fù)載時(shí)，可以平均產(chǎn)生2.06的輸出電能。

Wei S等[13]設(shè)計(jì)了一種壓電碰撞振動(dòng)能量收集器，如圖5（b、c）所示，利用人體行走過(guò)程中，腳踝處彎曲產(chǎn)生的能量。能量收集裝置主要由圓柱滑塊和壓電梁組成，在行走過(guò)程中，圓柱滑塊上多個(gè)凸起的圓弧面會(huì)碰撞壓電懸臂梁，致使壓電懸臂梁彎曲產(chǎn)生電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，步行頻率5，外接20負(fù)載電阻時(shí)，可輸出51的平均功率。

（a）膝關(guān)節(jié)能量收集器結(jié)構(gòu)示意圖

（b）碰撞能量收集器零件（c）碰撞能量收集器

2.5 壓電式人體其他部位能量收集

2007年，Jonathan等[14]開(kāi)發(fā)出一種新型的壓電背包，將傳統(tǒng)的背包帶替換成由PVDF壓電薄膜制成的背帶，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在背帶承受444N載荷時(shí)，每個(gè)52厚壓電肩帶（一共四個(gè)）的最大瞬時(shí)輸出功率為0.345W，平均功率為45.6。

2018年，Richard Fan等[15]設(shè)計(jì)了一種固定在下頜骨上的壓電能量收集器，并設(shè)計(jì)了一種下頜加載設(shè)備，來(lái)模擬人體咀嚼過(guò)程中施加在下頜骨上的力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得開(kāi)路峰值電壓可達(dá)1.2V，該研究的結(jié)果對(duì)利用人體下頜骨產(chǎn)生的能量為深層腦部刺激系統(tǒng)供電提供新的見(jiàn)解。

3 發(fā)展趨勢(shì)

壓電式人體能量收集系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)將集中在以下幾個(gè)方面：（1）俘能裝置與紡織品進(jìn)行結(jié)合，盡可能小的影響人體運(yùn)動(dòng)的前提下，完成對(duì)人體能量的收集;（2）設(shè)計(jì)出高效率、低功耗的能量采集電路以及存儲(chǔ)電路，從而提高俘能系統(tǒng)的輸出;（3）實(shí)現(xiàn)智能可穿戴設(shè)備健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電。

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