Page 145 - 《摩擦学学报》2020年第3期

摩擦学学报 2020 年 第 40 卷 第 3 期 411

人体能量采集与存储研究科技现状及未来发展趋势
—— 评《能量收集技术》

当前科学技术发展已达到前所未有的进步 , 其中柔性可穿戴产品作为一种新型科技产品正迅速崛起 , 可穿戴
设备生产量与使用量也逐年递增 . 据国际数据公司 (IDC) 的研究显示 , 2019 年第四季度全球可穿戴设备出货量
增长 82.3%, 2019 年全球可穿戴设备出货量达到 3.365 亿台 . 近几年可穿戴电子产品的电池容量不断扩大 , 设备
功耗改善方面也取得了一定的进步 , 但整体上其能量密度与容量的提高空间仍较为有限 . 某些电池在产品使用过
程中充电较为麻烦 , 若因电池故障而更换电池将会使投入更大 . 在此背景下人们不断地探索其他能量获取方式 ,
如环境中的太阳能、热能和机械能等能量形式 , 但这些能量并非总是可用的 . 就此一些科学家从人体本身出发 ,
探寻人体中的能量存储 , 如热能、机械能等 , 改变传统能量供应方式 , 实现人体能量采集与存储研究 . 如何从人
体中获取能量 , 如何解决能量无法直接为电子设备供电问题 , 如何实现功率调节、储能与功率输入 , 这些问题都
是该工程科学领域关注的重点问题 . 相关研究学者不断探索 , 相关著作也相继问世 , 其中《能量收集技术》一书
的出版 , 对电能量收集技术、电磁能量收集技术和热电能量收集技术等进行了详细的阐述 .
《能量收集技术》一书于 2011 年由东南大学出版社出版 , 作者为沙山克 • 普里亚 ( 印 ) 和丹尼尔 • 茵曼 ( 美 ),
由黄见秋、黄庆安翻译 . 黄庆安作为东南大学电子科学与工程学院教授 , 博士生导师 , 长期从事 NEMS、人、
RF/MEMS 器件与系统研究 , 科研经验丰富 ; 黄见秋长期从事 MEMS 器件设计 , 其中 “ 高性能 MEMS 器件设计
与制造关键技术及应用 ” 获得国家科学技术进步奖 . 《能量收集技术》融合了作者与译者的丰富科研与实践经验 ,
学术价值与实用价值较高 . 全书共分为 19 个章节 , 主要包括压电能量收集技术、电磁能量收集技术、热电能量
收集技术、薄膜电池材料与技术、生物MEMS能量收集技术以及能量收集技术在结构健康监测、植入式医疗监测、
有源射频传感器及识别等方面的应用 , 同时还包括对悬臂梁式压电能量收集器机电模型、振动式压电能量收集
器性能计算、压电等效电路模型和利用背包的压电能量收集等方面的研究总结 , 在能量采集技术及模型计算后 ,
还包括振动能量收集标准参考 , 可见本书扎实的理论性和有效的指导性 .
现阶段无线传感网在环境监测和结构健康监测等方面应用日益广泛 , 且应用前景良好 . 但由于这些应用受制
于自身能源供给 , 基于这种需求 , 能量采集与存储至关重要 . 在当前的人体能量采集与存储技术研究中 , 关于机
械能采集的研究最广泛 , 主要是指从人体日常运动以及身体内部肌肉 / 器官等生物力学运动中获取机械能 , 基于
其物理机制 , 人体机械能可转化为电能 . 电磁能量采集是较为传统的能量收集技术形式 , 当磁化体和导电线圈之
间发生相对运动时候 , 电磁能量采集器就能够将机械能转换为电能 , 该形式具有显著优势 , 例如 , 从低频转换谐
振器结构来看 , 转换效率相对较高 , 能够脱离外部电压源 ; 同时 , 电磁能量采集的内部阻抗相对较小 , 在进行能
量输出时输出效率较高 , 电流也相对较高 , 在系统尺寸大变大时 , 其能量采集价值也相对较大 . 通过该书中 “ 电
磁能量收集技术 ” 的介绍 , 读者能够更深入地了解人体能量采集中电磁能量采集器的开发应用 .
人体在进行运动的过程中 , 会产生机械能、热能和生化能 , 将这些能量转换为电能 , 再经过功率调节、能量
存储单元处理后 , 电能就能够为电力负载提供较为稳定的功率供应 . 通过《能量收集技术》中关于 “ 热电能量收
集技术与热电能量收集技术的优化 ” 的介绍可知 , 通过有效的热电能量收集 , 保证功率稳定与输出功率足够 , 就
可以为所需电子设备供电 . 关于未来人体能量采集与存储的趋势 , 要立足两种或多种能量收集技术的混合来看 ,
以提升能量采集效率和输出稳定性 .
《能量收集技术》中融合了大量的文献研究成果及实验检验 , 对等电磁能量、热电能量和生物 MEMS 能量
等各种能量的收集展开了详细介绍 , 理论知识与实验论证紧密配合 , 使本书的直观性大大增强 . 该书结合了作者
及数十位专家多年的实践经验编纂而成 , 全书对能量收集展开了全面和详细的论述 . 《能量收集技术》的出版不
仅有利于相关工程技术研究人事对能量收集展开更深入的研究 , 也能够为 MEMS、微电子、无线传感网以及机
械工程、仪器仪表等领域的科研工作者、研究生及本科生提供学习参考 .

基金项目：2019 年东莞市社会科技发展（一般）项目：人体能量收集核心技术研究（编号：2019507154529）

刘勇求 杨立波（广东科技学院 广东 东莞 523083）