基于壓電振動(dòng)的人體能量采集技術(shù)研究綜述

，

(1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

無(wú)源供電方式可有效促進(jìn)低功耗微電子設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。傳統(tǒng)的電池供電具有壽命有限，維護(hù)和更換成本高等缺點(diǎn)，而利用能量收集裝置將環(huán)境中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)和方法成為研究熱點(diǎn)，成為解決可替代能源問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，人們對(duì)身體健康的要求也促使用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴智能設(shè)備或傳感器迅速發(fā)展起來(lái)，而將人體運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并給可穿戴智能設(shè)備供電也引起了研究者的極大興趣。

壓電材料在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能，而利用壓電振動(dòng)產(chǎn)生電能的裝置稱為壓電能量收集器(PEH),其具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在此，首先從運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域闡述了有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)特性的研究，包括頻率、加速度和動(dòng)能等，然后從實(shí)驗(yàn)原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)能的來(lái)源、實(shí)現(xiàn)方法和性能等方面系統(tǒng)地綜述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外利用壓電振動(dòng)采集人體運(yùn)動(dòng)能的主要研究成果，并對(duì)后續(xù)研究和發(fā)展方向提出了展望和預(yù)測(cè)。

1 人體運(yùn)動(dòng)特性

最早有研究者在其文獻(xiàn)中對(duì)人體日常各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)如上肢運(yùn)動(dòng)、自然呼吸、步行等所能產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行了比較研究[1]。其中步行運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能可達(dá)60 W。同時(shí)，也從轉(zhuǎn)換效率的角度對(duì)生物機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的可靠性進(jìn)行了評(píng)估和分析。Yun等人研究了各類便攜式微電子設(shè)備工作狀態(tài)所需的平均功率[2]，如定位芯片的平均能耗約為15 mW，而MP3芯片的能耗僅為58 mW。故認(rèn)為將人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能通過(guò)壓電材料轉(zhuǎn)換為電能完全能夠滿足各類微電子設(shè)備或健康監(jiān)測(cè)傳感器所需的能耗，且步行運(yùn)動(dòng)是最有可能。

眾多研究者從運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)θ梭w運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了具體的分析和研究。如Tripathy等人在其文獻(xiàn)中指出，對(duì)于一個(gè)中等身材(175 cm身高)，且體重在70 kg左右的人來(lái)說(shuō)，其正常步態(tài)下的步行頻率約為1 Hz[3]，而每步的平均距離在55～70 cm之間[4]；還有研究測(cè)試了腳后跟抬高時(shí)與地面約成46°，且相對(duì)于地面的垂直距離約為25 cm[5]；而腳后跟與地面碰撞的持續(xù)時(shí)間約為0.014 s[6]，此時(shí)的加速度可以達(dá)到5g[7]。綜上所述，研究者認(rèn)為這些運(yùn)動(dòng)特性能夠讓植入鞋底的壓電梁產(chǎn)生充足的電能[6]。

Ylli等人研究認(rèn)為，人的步行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下主要有3種方式產(chǎn)生動(dòng)能[8]。其中，腳后跟與地面碰撞和小腿擺動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生加速度脈沖，如圖1a和圖1c所示；而腳底與地面接觸時(shí)由于人自身的重量可產(chǎn)生壓力，如圖1b所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)人以4 km/h的速度慢速步行時(shí)，小腿的擺動(dòng)頻率為0.82 Hz，且在水平方向和垂直方向上分別可以產(chǎn)生5.2g和4.4g的平均加速度；而在10 km/h的速度下跑步運(yùn)行時(shí)，小腿擺動(dòng)頻率約為1.19 Hz，此時(shí)在水平方向和垂直方向上都可以產(chǎn)生約13g的平均加速度。

圖1 步行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及激勵(lì)方式示意

2 能量收集研究現(xiàn)狀

結(jié)合上述壓電材料和人體運(yùn)動(dòng)特性的分析，利用壓電振動(dòng)收集人體運(yùn)動(dòng)能量主要有3種方式：利用人體自身的重量使得壓電材料發(fā)生彎曲變形從而產(chǎn)生電能；利用腳后跟與地面碰撞時(shí)產(chǎn)生的加速度脈沖使壓電梁振動(dòng)；利用小腿的擺動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電梁振動(dòng)。在此，將從上述3個(gè)方面對(duì)基于壓電振動(dòng)的人體運(yùn)動(dòng)能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并為后續(xù)研究提供參考和方向。

2.1 壓電彎曲變形

PVDF是一種壓電聚合體，其柔韌性好，變形大，但壓電應(yīng)變系數(shù)要遠(yuǎn)小于PZT材料，因而輸出平均功率較小，但適合于承受交變載荷的場(chǎng)合，因此很多學(xué)者將PVDF材料植入鞋底，通過(guò)足部的壓力使之產(chǎn)生變形從而產(chǎn)生電壓。

Kymissis等人設(shè)計(jì)了一種嵌入式的壓電能量收集器，分別將PVDF和PZT壓電晶片安裝在腳掌和腳后跟位置[9]，如圖2所示，用于比較2種不同壓電材料在人的正常步行狀態(tài)下產(chǎn)生電能的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PZT晶片的發(fā)電性能是PVDF材料的2倍；還設(shè)計(jì)了后續(xù)的儲(chǔ)能電路和射頻信號(hào)發(fā)送裝置，平均每秒步行3～6步產(chǎn)生的電能就可以發(fā)射一個(gè)射頻信號(hào)，這種設(shè)計(jì)可以取代電池為GPS定位儀、步程計(jì)等設(shè)備供電。Fourie[10]和Mateu[11]等人在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了進(jìn)一步的研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 嵌入鞋底的壓電能量收集裝置

結(jié)合PVDF材料柔性強(qiáng)的特性，Jung等人將PVDF材料制作成可植入鞋底和安裝在腕表上的彎曲形狀結(jié)構(gòu)，并分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試[12]，如圖3所示。其中裝在腕表上的PVDF材料在手臂旋轉(zhuǎn)條件下可以產(chǎn)生5 V以上的輸出電壓；另外，在正常步行條件下，植入鞋底的PVDF材料可以產(chǎn)生25 V的平均輸出電壓和20 μA的平均輸出電流，而在跑步條件下，產(chǎn)生的的平均輸出電壓和輸出電流更高，分別可達(dá)40 V和47 μA。

圖3 彎曲式壓電能量收集器

Haghbin制作了一個(gè)氣泵式的壓電能量收集裝置，其實(shí)驗(yàn)原型裝置如圖4a所示[13]。通過(guò)壓縮空氣使得PZT薄膜發(fā)生彎曲變形，從而產(chǎn)生電能。整個(gè)能量收集裝置是密封式的，既可保護(hù)壓電材料，也可以很方便地植入鞋底并通過(guò)足跟的踩踏來(lái)產(chǎn)生電能，如圖4 b所示。利用跑步機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在4 mile/h的步行速度下可以產(chǎn)生1.24 mW的平均功率。

圖4 嵌入鞋底的氣泵式壓電能量收集器

Leinonen等人設(shè)計(jì)了一種鐃鈸式的壓電能量收集器，并將其植入鞋底，如圖5所示[14]。其壓電材料選用直徑為35 mm的PZT-5H圓盤，并采用鐃鈸結(jié)構(gòu)將壓電圓盤封裝并植入鞋底，在人體自身重量下產(chǎn)生變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 Hz的步態(tài)下最大可以產(chǎn)生約800 μW的平均功率，而且理論與實(shí)驗(yàn)的誤差僅在7%以內(nèi)。

圖5 嵌入鞋底的鐃鈸式壓電能量收集器

另外，Granstrom等人也充分利用了PVDF壓電材料柔性強(qiáng)的特性，將PVDF安裝在雙肩包的背帶內(nèi)[15]，如圖6所示，可通過(guò)背包的重量使PVDF產(chǎn)生應(yīng)變從而產(chǎn)生電能，實(shí)驗(yàn)證明可以產(chǎn)生45.6 mW的平均功率。

圖6 用背包肩帶的壓電能量收集裝置

2.2 壓電振動(dòng)

PZT是最常用的壓電材料，其壓電應(yīng)變系數(shù)大，輸出電壓高，缺點(diǎn)是比較脆，在變形較大時(shí)會(huì)發(fā)生脆性斷裂，因此通常將PZT制作成懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，并在振動(dòng)的條件下產(chǎn)生電能。

如前所述，人的腳后跟在與地面碰撞瞬間能夠產(chǎn)生5g的加速度，所以Moro等人將壓電懸臂梁植入鞋的腳后跟處，利用步行時(shí)腳后跟的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能，可以產(chǎn)生395 μW的平均功率，如圖7所示[16]。

圖7 嵌入鞋底的壓電懸臂梁振動(dòng)型能量收集器

Hwang等人設(shè)計(jì)了踏板式的壓電振動(dòng)能量收集裝置，如圖8所示[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)體重為68 kg的人在踩踏裝置兩端的瓷磚時(shí)，與瓷磚相連的彈簧就可傳遞動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)4個(gè)壓電梁振動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)可以產(chǎn)生約0.12 mW的平均功率。對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行自由落體碰撞實(shí)驗(yàn)，80 g的鋼球從1 m高度落到瓷磚時(shí)，可以產(chǎn)生約707 μW的平均功率，相比上述Moro等人研究的實(shí)驗(yàn)原型裝置在功率方面可提高約203%。但這種分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只能在刻意踩踏時(shí)才能產(chǎn)生電能，并不能像前面嵌入式的設(shè)計(jì)那樣在人的正常步行狀態(tài)條件下產(chǎn)生電能。

圖8 踏板式壓電能量收集器

Li等人首先從提高能量收集密度的角度出發(fā)，將壓電懸臂梁自由端的質(zhì)量塊設(shè)計(jì)成曲線L型[18]，如圖9所示。這樣可以減少壓電懸臂梁諧振頻率，其功率密度可達(dá)1.45 μW /cm3，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電懸臂梁提高了68%左右。將壓電梁安裝在一個(gè)型腔中并植入鞋底，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在3英里/小時(shí)的步行速度下平均輸出功率可達(dá)49 μW。

圖9 曲線L型質(zhì)量塊的壓電能量收集裝置

Meier等人根據(jù)人的步行運(yùn)動(dòng)特性提出一種壓電振動(dòng)和彎曲雙模式的能量收集裝置，如圖10所示[19]。

圖10 壓電振動(dòng)和彎曲雙模式能量收集裝置

壓電材料安裝在鞋底不同部位，既可隨腳后跟的振動(dòng)發(fā)電，也能因腳掌的壓力導(dǎo)致彎曲變形而產(chǎn)生電能。其中，腳后跟部分采用剛性強(qiáng)的PZT材料，可以在振動(dòng)的條件下發(fā)電；而柔性壓電材料則安裝腳掌處，在壓力作用下產(chǎn)生彎曲變形。同時(shí)，能量收集裝置中還安裝了具有儲(chǔ)能作用的集成電路模塊以及傳感模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)身高1.8 m，體重90.7 kg的人從步行到跑步運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，平均每步可以產(chǎn)生10～20 μJ的能量，且該數(shù)值是計(jì)算了儲(chǔ)能電路中集成電路和儲(chǔ)能電容的固有損耗之后的實(shí)際值。

上述研究都是以人腳后跟與地面碰撞所產(chǎn)生的垂直方向的振動(dòng)加速度作為動(dòng)力源來(lái)產(chǎn)生電能，而實(shí)際產(chǎn)生的振動(dòng)加速度是多方向，只不過(guò)其他方向的振動(dòng)頻率非常低，此時(shí)若采用上變頻原理就可沿其他方向的振動(dòng)收集電能，從而提高整體的能量轉(zhuǎn)換和收集效率。Fan等人設(shè)計(jì)了一種非線性振動(dòng)的壓電能量收集器，如圖11所示[20]。該收集器由壓電梁、套筒、鋼球和帶支撐柱的橫梁組成，其中壓電梁的自由度粘貼有磁鐵塊，而橫梁的中間位置也有固定的磁鐵塊，套筒安裝在壓電梁下方平行位置，而鋼球可在套筒里面自由滾動(dòng)。實(shí)際工作中，壓電梁沿垂直方向振動(dòng)，鋼球由于小腿的擺動(dòng)而在套筒里面往復(fù)滾動(dòng)，與上方磁鐵產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，并驅(qū)動(dòng)壓電梁沿水平方向振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在2～8 km/h的運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)，可產(chǎn)生0.03～0.35 mW的平均功率。

圖11 非線性振動(dòng)壓電能量收集器

國(guó)內(nèi)的研究者如鄔登金等人將壓電陶瓷材料通過(guò)亞克力板安裝在地面上，并利用超級(jí)電容作為介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存電能[21]，在一個(gè)小時(shí)的集中踩踏下可以產(chǎn)生約0.36 W的功率。楊鑫銘等人也設(shè)計(jì)了一種踩踏式的壓電發(fā)電裝置，并將其安裝在樓梯臺(tái)階上[22]，如同發(fā)電地磚一樣，通過(guò)人在上下樓梯時(shí)的踩踏力產(chǎn)生的平均電能約為0.08～0.18 mJ/次。

2.3 碰撞振動(dòng)

由于每個(gè)人步行速度和步態(tài)不一樣，其腳后跟產(chǎn)生的振動(dòng)頻率和加速度也不同，而壓電梁在非諧振條件下輸出功率會(huì)大幅下降，為解決這一問(wèn)題，很多研究者利用壓電碰撞振動(dòng)的方法來(lái)收集電能。

Renaud等人研發(fā)了一種手搖式碰撞壓電能量收集器[23-24]，如圖12所示。在一個(gè)型腔的兩端分別安裝壓電懸臂梁，同時(shí)在垂直方向設(shè)計(jì)一個(gè)可容納滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10 Hz的手搖頻率下，質(zhì)量約為4 g的滑塊沿軌道來(lái)回碰撞兩邊的壓電梁，可以產(chǎn)生約600 μW的功率。

圖12 手搖式壓電能量收集裝置

類似的，Halim提出一種混合壓電和電磁2種發(fā)電方式的手搖式振動(dòng)能量收集器[25]，通過(guò)碰撞的方式驅(qū)動(dòng)壓電梁高頻諧振，同時(shí)壓電梁上固定的磁鐵也與線圈發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，這樣就能實(shí)現(xiàn)壓電和電磁同時(shí)發(fā)電，相對(duì)本文所研究的同型號(hào)電磁發(fā)電裝置而言[26]，可以大幅地提高功率密度。

Pozzi 等人利用步行時(shí)小腿的擺動(dòng)作為動(dòng)力源設(shè)計(jì)了壓電能量收集裝置，如圖13所示[27]。它包括轉(zhuǎn)子、定子、撥片和壓電晶片4部分，將其安裝在膝關(guān)節(jié)附近，在步行狀態(tài)下，當(dāng)小腿往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，利用撥片來(lái)連續(xù)撥動(dòng)壓電懸臂梁從而產(chǎn)生電能[28]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在背上24 kg的背包之后，可以產(chǎn)生高達(dá)2.06 mW的電能。

圖13 膝關(guān)節(jié)連續(xù)撥動(dòng)的壓電能量收集方法

在此，提出了一種并行驅(qū)動(dòng)的壓電碰撞振動(dòng)能量收集器，如圖14所示[29]。且與壓電梁平行放置，將實(shí)驗(yàn)裝置安裝在人的腳踝處，在步行時(shí)圓柱滑塊上的多個(gè)圓弧面凸起就會(huì)碰撞壓電梁末端的圓弧質(zhì)量塊，從而導(dǎo)致壓電梁發(fā)生彎曲并自由振動(dòng)。其中，圓弧質(zhì)量塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高反向行程的碰撞作用效果，提高輸出功率[30]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在5 km/h的步行速度下，外接20 kΩ電阻時(shí)可以最大輸出51 μW的平均功率。在此研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙壓電梁能量收集器，相對(duì)于前面的研究而言，功率密度提高約50.7%[31]。

圖14 并行碰撞壓電能量收集裝置

3 結(jié)束語(yǔ)

基于壓電振動(dòng)的能量采集技術(shù)作為一種可再生能源技術(shù)，具有使用壽命長(zhǎng)、不需維護(hù)且無(wú)污染等特點(diǎn)。本文綜述了多種以人體運(yùn)動(dòng)為動(dòng)力源的壓電振動(dòng)發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法以及性能等方面進(jìn)行了詳述。隨著可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展以及人們對(duì)健康監(jiān)測(cè)的需求，這類技術(shù)具有很廣泛的應(yīng)用前景，而目前的研究距離實(shí)用性還有一些差距，例如壓電能量收集裝置如何適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的低頻特性以及各種不同的步態(tài)、如何提高用戶體驗(yàn)、如何提高能量收集效率以及與智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合等方面。在后期研究中需要解決的問(wèn)題和后期研究的方向和趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

a.結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)的概念以及鞋樣的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足人體舒適性和實(shí)用性要求。

b.考慮到壓電振動(dòng)輸出的交流電特性以及非連續(xù)性，需要設(shè)計(jì)高效率、低功耗的儲(chǔ)能集成電路模塊，從而提高儲(chǔ)能效率以及輸出穩(wěn)定的直流電。

c.結(jié)合健康監(jiān)測(cè)傳感和無(wú)線傳感功能，實(shí)現(xiàn)基于人體運(yùn)動(dòng)的可穿戴智能設(shè)備自供電技術(shù)及應(yīng)用。