隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能感知和分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對(duì)傳感器供電方式提出了革命性要求。傳統(tǒng)電池供電存在壽命有限、更換維護(hù)成本高、環(huán)境污染等問題，尤其是在復(fù)雜或惡劣環(huán)境中。在此背景下，傳感器自取能技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。中國科學(xué)院李偉研究員及其團(tuán)隊(duì)在基于電壓薄膜的傳感器自取能技術(shù)領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展，為工程與技術(shù)研究和試驗(yàn)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

一、 技術(shù)核心：電壓薄膜與能量收集機(jī)制

李偉團(tuán)隊(duì)研究的核心在于利用先進(jìn)的電壓薄膜材料，將環(huán)境中廣泛存在的微弱機(jī)械能（如振動(dòng)、壓力、形變）或熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，為傳感器提供持續(xù)、自主的能源。這類薄膜材料通常具備優(yōu)異的壓電、摩擦電或熱釋電特性。

• 壓電薄膜：如鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜、聚偏氟乙烯（PVDF）及其復(fù)合材料，在外力作用下產(chǎn)生內(nèi)部電荷分離，形成電壓。團(tuán)隊(duì)通過微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料復(fù)合與摻雜，顯著提升了薄膜的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境適應(yīng)性。

• 摩擦電薄膜：利用兩種不同材料接觸分離時(shí)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)高電荷密度、耐磨損的薄膜材料及結(jié)構(gòu)，使其在低頻、小幅度的機(jī)械激勵(lì)下也能高效發(fā)電。

• 熱釋電薄膜：針對(duì)溫度波動(dòng)環(huán)境，利用材料極化隨溫度變化的特性產(chǎn)生電壓。團(tuán)隊(duì)在薄膜的溫敏性能和熱穩(wěn)定性方面取得了突破。

這些電壓薄膜被集成為微小的能量收集器（能量 harvester），能夠附著或嵌入到設(shè)備、結(jié)構(gòu)或環(huán)境中，持續(xù)捕獲“廢棄”能量。

二、 關(guān)鍵研究進(jìn)展

李偉團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 材料創(chuàng)新與性能優(yōu)化：通過溶液法、磁控濺射、3D打印等先進(jìn)工藝，制備了高性能、柔性化、可大面積制備的電壓薄膜。例如，開發(fā)了基于生物可降解材料的環(huán)保型壓電薄膜，以及具有高韌性和可拉伸性的復(fù)合薄膜，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。
2. 器件結(jié)構(gòu)與集成設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了多種高效的微能量收集結(jié)構(gòu)，如懸臂梁式、疊層式、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等，以匹配不同頻段和形式的環(huán)境激勵(lì)。團(tuán)隊(duì)致力于將能量收集模塊、電源管理電路（AC-DC轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能）與傳感單元進(jìn)行微型化、一體化集成，形成完整的自供能傳感節(jié)點(diǎn)。
3. 功率管理與系統(tǒng)效能提升：針對(duì)薄膜產(chǎn)生的電能通常具有間歇性、電壓不規(guī)則的特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高效的低功耗電源管理芯片和電路，實(shí)現(xiàn)了能量的有效整流、存儲(chǔ)（如利用微型超級(jí)電容器）和按需分配，確保了傳感器在無光照、無振動(dòng)的間歇期也能穩(wěn)定工作。
4. 面向應(yīng)用的系統(tǒng)驗(yàn)證：團(tuán)隊(duì)將研究成果應(yīng)用于具體場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證，例如：

• 工業(yè)監(jiān)測(cè)：在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、橋梁、管道等設(shè)備結(jié)構(gòu)上部署自取能振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警，無需布線換電。

• 智能交通：將薄膜嵌入道路或輪胎，收集車輛通行時(shí)的壓力能，為交通流量、載重監(jiān)測(cè)傳感器供電。

• 生物醫(yī)療：開發(fā)柔性自取能貼片，利用人體呼吸、脈搏等微動(dòng)或體溫差為生命體征監(jiān)測(cè)傳感器供電。

• 環(huán)境監(jiān)測(cè)：在偏遠(yuǎn)地區(qū)利用微風(fēng)、溫差等自然能源，為溫濕度、空氣質(zhì)量傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。

三、 對(duì)工程和技術(shù)研究與試驗(yàn)發(fā)展的意義與展望

李偉團(tuán)隊(duì)的工作對(duì)“工程和技術(shù)研究和試驗(yàn)發(fā)展”領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響：

• 推動(dòng)自主創(chuàng)新：突破了傳感器能源供給的關(guān)鍵瓶頸，促進(jìn)了我國在高端傳感與微能源領(lǐng)域的自主技術(shù)發(fā)展。
• 賦能新型系統(tǒng)：使得構(gòu)建大規(guī)模、長壽命、免維護(hù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境感知等重大工程提供了底層技術(shù)支撐。
• 促進(jìn)交叉融合：該研究深度整合了材料科學(xué)、微電子、機(jī)械工程、電路與系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科，是典型的交叉學(xué)科創(chuàng)新范例，推動(dòng)了相關(guān)試驗(yàn)方法和研發(fā)模式的進(jìn)步。
• 綠色可持續(xù)發(fā)展：通過收集環(huán)境中的廢棄能量，減少了電池使用和電子廢棄物，符合綠色低碳的發(fā)展理念。

基于電壓薄膜的傳感器自取能技術(shù)仍面臨輸出功率有待進(jìn)一步提高、環(huán)境適應(yīng)性需進(jìn)一步增強(qiáng)、成本需進(jìn)一步降低等挑戰(zhàn)。李偉團(tuán)隊(duì)表示，未來的研究將聚焦于開發(fā)更高性能的多功能復(fù)合薄膜、探索新型能量轉(zhuǎn)換機(jī)制（如混合模式）、深化與人工智能結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能能量管理，并推動(dòng)技術(shù)在更廣闊工程場(chǎng)景中的規(guī)模化示范應(yīng)用。隨著這些技術(shù)的不斷成熟，真正實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)、萬物自供能”的愿景將越來越近。