近日，机自学院田应仲教授和张泉、李龙副教授课题组的以“Self-sustainable flow-velocity detection via electromagnetic/triboelectric hybrid generator aiming at IoT-based environment monitoring”为题的最新研究成果发表在纳米能源顶级期刊《Nano Energy》(IF: 17.881)。该研究设计了一种新型三缸式混合自供能传感装置，创新性地复合多种形式能量，突破功能结构-传感技术一体化融合难点，实现基于物联网的远节点超时空智能感知。
在偏远山区与恶劣环境中，无线传感系统在风、雨、水位等环境监测具有重要作用。随着物联网技术的发展，无线传感系统具有数量多、功耗小、分布广等特点，需克服传统电池使用寿命短且污染环境等缺点，使之具有高效能、便携性与可持续性，因此如何实现为超时空尺度的无线传感系统供电是一个巨大的挑战。自2012年快速发展起来的摩擦纳米发电机技术因输出性能高、结构相容性好和选材范围广等优点，在能量收集和自供能传感的领域中显示出了广泛的应用前景。





流体运动的特征具有随机性、无规则性，具有较宽的频率范围，其超低频率甚至小于1Hz，且呈现出时变特性，蕴藏着丰富的能量。本研究工作创新性地将高电流输出的电磁发电机（EMG）和高电压输出的摩擦纳米发电机（TENG）技术复合，提出了一种耦合能量收集与感知功能的三缸式混合自供能传感装置。该装置可有效从多自由度、宽频范围（0-10Hz）的流体运动中获取能量，在1Hz的外部激励下，可点亮33盏串联LED灯。通过结构优化与齿轮结构，有效提高输出性能并扩大传感带宽，优化了输出信号的灵敏度与分辨率。根据输出电压的时域特性，实现对流体流速与方向的监测，结合基于微控制单元与射频收发器的无线传感系统，实现远节点超时空智能感知。此外，通过EMG和TENG混合能量收集机制，将流体能量高效地收集并储存至储能元件中，实现无线传感系统自供能。该自供能感知系统融合能量收集与智能传感，可用于流体流速检测，在物联网应用中的无人环境监测、灾害预警以及气象记录方面具有广阔前景。
研究工作由上海大学和新加坡国立大学合作完成，上海大学为第一署名单位，该工作得到国家自然科学基金（61973207），上海市自然科学基金（21ZR1423000；19ZR1474000），上海市启明星计划（20QA1403900）及机械结构力学与控制国家重点实验室基金（MCMS-E-0320G01）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106501