原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302699

摘要

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線監(jiān)測傳感器、可穿戴電子設(shè)備等眾多分布式廣域低功耗電力電子器件被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。由于微電子器件的分散性和易遷移性，其能量供應(yīng)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。目前，為分布式微電子器件供電的方式主要為集中式低熵能源供應(yīng)和化學(xué)電池供電，這兩種供能方式在便捷性和環(huán)保方面存在日益突出的問題。具有高熵特性的環(huán)境微能量收集技術(shù)被認為是為低功耗電子器件提供清潔能量的有效解決方案。本文詳細闡述了基于能量采集和信號傳感的微電子技術(shù)最新進展。首先，介紹了人類、動物和自然環(huán)境中微功率電子設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用情況。其次，對環(huán)境中可用的微能源進行了歸類和分析。然后，對基于不同生電機制的環(huán)境微能源收集技術(shù)的原理和特點進行了歸納闡釋。此外，本文全面總結(jié)了自供電微電子技術(shù)在11個不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。最后，對基于微能量收集技術(shù)的自供電微電子技術(shù)的研究挑戰(zhàn)、技術(shù)難點和研究空白進行了討論和總結(jié)。

Keywords關(guān)鍵詞

Energy harvesting 能量采集

Environmental monitoring 環(huán)境監(jiān)測

Microelectronic 微電子

Self-sensing technology 自傳感技術(shù)

Wearable devices  可穿戴設(shè)備

Schematics 圖表

圖1 自供電微電子世界的架構(gòu)

圖2 可穿戴電子設(shè)備的類別

圖3不同能量收集技術(shù)的特征比較

圖4 人體下肢自供電可穿戴微電子技術(shù)應(yīng)用

圖5海洋領(lǐng)域自供電微電子技術(shù)應(yīng)用

圖6環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測自供電微電子技術(shù)應(yīng)用

結(jié)論

人工智能和物聯(lián)網(wǎng)正在推動基于自供電技術(shù)的微電子器件的快速發(fā)展，深刻影響著世界的發(fā)展進程。本文全面回顧了自供電微電子領(lǐng)域的最新進展、挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。綜述了人體可穿戴設(shè)備、動物可穿戴設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測傳感器的總體研究進展。此外，本文還詳細概述了可用于自供電微電子的環(huán)境微能源類別，以及能量收集技術(shù)的原理和特征。從應(yīng)用角度出發(fā)，全面總結(jié)了自供電微電子技術(shù)在人體可穿戴設(shè)備(眼鏡、助聽器、口罩、背包、手表、腕帶、手套、外骨骼系統(tǒng)、鞋襪)、動物可穿戴設(shè)備(陸地、飛行、水生)、環(huán)境監(jiān)測傳感(智能交通、智能海洋、智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、以及自然環(huán)境監(jiān)測)。最后，針對自供電微電子器件的不足，提出了該領(lǐng)域的研究空白和未來的研究方向。

盡管自供電微電子器件的研究和應(yīng)用取得了重大進展，但要實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，仍面臨重大挑戰(zhàn)。如今，大多數(shù)自供電微電子都是作為單個節(jié)點運行，然而單節(jié)點在能量采集、信號感知、系統(tǒng)集成等方面存在很大的不足，難以應(yīng)對未知挑戰(zhàn)。不斷提高人工智能輔助的多節(jié)點組網(wǎng)系統(tǒng)的性能可以滿足當(dāng)前時代的需求。此外，材料是器件的基礎(chǔ)，先進材料的發(fā)展可以不斷推動自供電傳感系統(tǒng)的進步。

團隊介紹

本研究由貴州大學(xué)、西南交通大學(xué)以及香港理工大學(xué)的研究人員共同完成。主要作者如下：

第一作者簡介：

漆令飛，博士，特聘教授，貴州大學(xué)機械工程學(xué)院。圍繞環(huán)境能量俘獲技術(shù)、新能源再生技術(shù)在《Advanced Energy Materials》、《Mechanical Systems and Signal Processing》、《International Journal of Mechanical Science》等國際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文40余篇，授權(quán)發(fā)明/實用新型專利30余項，主持貴州省自然科學(xué)基金項目、貴州省教育廳青年優(yōu)秀人才項目、貴州大學(xué)引進人才項目、四川省科技廳支撐計劃項目以及中車貴陽重載列車懸架俘能校企合作項目等科研課題。擔(dān)任Energies期刊客座編輯，擔(dān)任《APPLIED ENERGY》、《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》、《ENERGY》等國際知名期刊審稿人，擔(dān)任ICAE、CUE、MIT A+B國際會議組織委員會成員。

共同通訊作者簡介：

孔苓吉，西南交通大學(xué)研究生。主要研究方向為可穿戴自供電傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、人工智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前已發(fā)表同行評議期刊論文20余篇。研究工作旨在收集人體能量，實現(xiàn)自我可持續(xù)的人類智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。

張祖濤，西南交通大學(xué)教授，成都工業(yè)學(xué)院副校長，教育部霍英東教育教學(xué)獎獲得者，全球前2%頂尖科學(xué)家（斯坦福大學(xué)榜單）和中國高貢獻學(xué)者（校友會榜單）。研究方向為機械設(shè)計及EH技術(shù)，主持國家自然科學(xué)基金面上項目3項，以第一作者/通訊作者在《Advanced Energy Materials》等期刊發(fā)表論文150余篇，主持獲2022年國家教學(xué)成果二等獎。

嚴晉躍（Jerry Yan），歐洲科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院院士，香港工程科學(xué)院院士，香港理工大學(xué)講座教授。瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)博士，曾在M?lardalen大學(xué)和KTH擔(dān)任講座教授。研究領(lǐng)域包括可再生能源、先進能源系統(tǒng)、氣候變化和環(huán)境政策。在《Science》, 《Nature Climate Change》, 《Nature Energy》等國際知名期刊上發(fā)表400余篇論文。指導(dǎo)博士后科研人員約200人，博士生50人。

圖文：漆令飛

審核

一審：趙麗芳

二審：唐正強

三審：滕召華