自充电可穿戴设备专用：高性能紧凑型振动能量收集器

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。

2012年因谷歌眼镜的亮相，被称作“智能可穿戴设备元年”。在智能手机的创新空间逐步收窄和市场增量接近饱和的情况下，智能可穿戴设备作为智能终端产业下一个热点已被市场广泛认同。2013年，各路企业纷纷进军智能可穿戴设备研发，争取在新一轮技术革命中分一杯羹。2022年12月2日，人工智能赋能的可穿戴设备入选“智瞻2023”论坛发布的十项焦点科技名单。

可穿戴设备多以具备部分计算功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在，主流的产品形态包括以手腕为支撑的watch类(包括手表和腕带等产品)，以脚为支撑的shoes类(包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品)，以头部为支撑的Glass类(包括眼镜、头盔、头带等)，以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态。

步行不仅可以增强您自身的能量，还可以潜在地增强您的可穿戴电子设备的能量。大阪城市大学的科学家们在自充电可穿戴设备方面取得了重大进展，他们发明了一种动态放大镜增强型压电振动能量收集器，该能量收集器可以将脉冲振动(例如人类行走)产生的能量放大约 90 倍，同时保持与目前开发的能量收集器一样小。结果发表在《应用物理快报》上。

如今，人们携带着多种电子设备，例如智能手机，可穿戴设备预计在不久的将来会越来越普及。由此产生的对这些设备更高效充电的需求增加了人们对能量收集的关注，能量收集是一种将热能和光能等能量转化为可为小型设备供电的电能的技术。一种称为振动能量收集的能量收集形式被认为非常实用，因为它可以将振动产生的动能转化为电能，并且不受天气或气候的影响。

大阪都立大学工学研究科副教授 Takeshi Yoshimura 领导的研究团队开发了一种微机电系统 (MEMS) 压电振动能量收集器，其直径仅约 2 厘米，带有称为动态放大镜的 U 形金属部件. 与传统收割机相比，新型收割机可将人类步行运动产生的脉冲振动转换成的能量提高约 90 倍。

该团队一直致力于开发利用压电效应的振动能量收集器，压电效应是一种特定类型的材料响应施加的压力而产生电荷或电压的现象。到目前为止，他们已经成功地从恒定频率的机械振动中产生微瓦级的电力，例如电机和洗衣机产生的振动。然而，当施加的振动不稳定且脉冲时，例如人类行走产生的振动，这些收割机的发电量会急剧下降。

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6%.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5Hz的宽度.针对50Hz的振动环境,将谐振频率为58.7Hz的样机调节到了50.4Hz,输出电压提高了4倍.

为了应对这一挑战，该团队开发并在收割机下方安装了 U 形振动放大组件。该组件可以在不增加设备尺寸的情况下提高发电量。该技术有望通过非稳态振动(包括步行运动)产生电力，从而为智能手机和无线耳机等小型可穿戴设备供电。

吉村教授总结道，“由于电子设备有望变得更加节能，我们希望这项发明有助于实现自充电的可穿戴设备。”