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增强现实如何改变微小复杂系统的设计与原型制作
2025/1/15 17:55:23
在当今的技术领域中,为微型设备寻求自给自足且可持续的电源变得愈发关键.微型环境,例如物联网(IoT)传感器\可穿戴电子设备以及植入式医疗设备中的环境,需要的能源解决方案不仅要紧凑,而且要高效.能量收集,即从周围环境中捕获环境能量并将其转化为可用电能的过程,已成为为这些微型设备供电的一种有前景的方法.最近的研究突破显著推动了对微型环境中能量收集的理解与优化,为广泛的应用开辟了新的可能性.
微型环境中能量收集的意义
为无处不在的物联网供电
近年来,物联网经历了爆发式增长,全球部署了数十亿个连接设备.这些设备通常以小型传感器的形式存在,需要可靠的电源.传统电池由于其有限的使用寿命\相对于设备而言较大的尺寸以及需要更换或充电等原因,并非总是可行.能量收集提供了一种解决方案,使这些物联网传感器能够自主运行,从光\振动\温度梯度和电磁场等来源获取能量.例如,智能建筑中的温度感应物联网设备可以从建筑物内外的温差中收集能量,从而无需制定电池更换计划并确保持续运行.
可穿戴电子设备和植入式医疗设备
可穿戴电子设备,如智能手表和健身追踪器,以及植入式医疗设备,如起搏器和神经刺激器,也从能量收集中受益匪浅.可穿戴设备需要轻巧\舒适且具有持久的电力.能量收集可以将人体运动产生的动能转化为电能为这些设备供电.对于植入式医疗设备而言,从人体内部环境收集能量的能力,例如从心脏跳动产生的机械能或从人体体温获取的热能,可以延长设备的使用寿命并减少侵入性电池更换手术的需求.
微型环境中的能量收集类型
太阳能收集
太阳能收集是微型应用中最常见且最为人熟知的能量收集形式之一.微型太阳能电池,通常由硅或有机化合物等材料制成,可以集成到小型设备中.在放置于户外或光线充足的室内环境中的物联网传感器中,太阳能电池可以捕获阳光或人造光并将其转化为电能.多年来,太阳能电池的效率有了显著提高,一些微型太阳能电池的效率可达 20% - 30%.然而,挑战依然存在,例如需要直接光照以及一天中光照强度的变化.为应对这些挑战,研究人员正在开发能够更好地捕获弱光和漫射光条件的新材料和设计.
振动能量收集
振动能量在许多微尺度环境中十分丰富.振动源涵盖人体运动\机械振动,甚至风或水流引发的振动.振动能量收集通常采用压电材料,这类材料在受到机械应力时会产生电荷.例如,在可穿戴设备中,可设计压电元件,将人行走或手臂摆动的动能转化为电能.另一种方法是利用电磁感应原理,即线圈内振动的磁铁会产生电流.振动能量收集特别适用于设备所处环境存在持续振动的应用场景,但可收集的能量多少取决于振动的幅度与频率.
热能收集
热能收集利用两点间的温差来发电.在微尺度环境中,这可能是可穿戴设备中人体与周围空气的温差,或是工业环境里机器不同部件间的温差.基于塞贝克效应的热电发电机常用于热能收集.这些发电机由不同电导率的材料构成,当材料两端存在温度梯度时就会产生电压.微尺度应用中的热能收集效率仍相对较低,目前研究重点在于研发具有更高优值的新型热电材料,以提升效率.
电磁能收集
由于无线通信技术的广泛应用,环境中存在着诸如射频(RF)波之类的电磁能.微尺度设备能够从 Wi - Fi 信号\蓝牙信号,甚至环境中的广播和电视信号等来源收集射频能量.射频能量收集电路一般使用天线捕获射频信号,并通过整流器将交流电(AC)信号转换为直流电(DC).尽管环境中可用的射频能量相对较少,但对于为低功耗微尺度设备供电而言可能已足够.该领域的研究聚焦于提高射频能量收集电路的效率,并开发更灵敏的天线以捕获更微弱的射频信号.
优化能量收集的研究突破
用于增强能量转换的纳米材料
纳米材料的应用是优化微尺度环境能量收集的一项重大突破.碳纳米管\纳米线和量子点等纳米材料具备独特的电学\机械和光学特性,可提升能量收集设备的性能.比如,碳纳米管可用于提高振动能量收集设备中压电材料的导电性.其高长径比和出色的机械强度使机械能能更高效地转化为电能.在太阳能收集方面,量子点可用于调节太阳能电池的吸收光谱,使其能够捕获更广泛的光波长,进而有可能提高效率.
先进的能量管理系统
另一个研究突破领域是先进能量管理系统的开发.这些系统旨在将收集到的能量高效存储并分配给微尺度设备.超级电容器和可充电电池等能量存储元件与能量收集设备集成在一起.先进的控制算法根据收集到的能量可用性以及设备的功率需求,对这些能量存储元件的充电和放电过程进行优化.例如,在物联网传感器节点中,能量管理系统能在太阳能收集充足时对超级电容器充电.当太阳能不可用时,该系统可以优化方式从超级电容器放电,为传感器节点供电,确保其持续运行.
混合能量收集方法
研究人员越来越多地探索结合多种能量来源的混合能量收集方法.例如,一个设备可能同时集成太阳能和振动能量收集组件.如此一来,当阳光不可得时,设备仍能从环境振动中收集能量.混合能量收集通过确保总有可用能源,可提高微尺度设备的可靠性和功率输出.此外,新的电路设计也在不断开发中,以便在不同能量来源间无缝切换,并优化整体能量收集过程.
自适应能量收集机制
自适应能量收集机制是另一个活跃的研究领域.这些机制使能量收集设备能够适应不断变化的环境条件.例如,太阳能供电的物联网传感器可根据可用阳光强度调整自身功耗.阳光强烈时,传感器可执行更复杂的任务并储存多余能量.阳光微弱时,传感器可降低功耗并依靠储存的能量运行.同样,基于振动的能量收集设备能够通过调整收集元件的共振频率,适应振动频率和幅度的变化.
微型环境中能量收集的意义
为无处不在的物联网供电
近年来,物联网经历了爆发式增长,全球部署了数十亿个连接设备.这些设备通常以小型传感器的形式存在,需要可靠的电源.传统电池由于其有限的使用寿命\相对于设备而言较大的尺寸以及需要更换或充电等原因,并非总是可行.能量收集提供了一种解决方案,使这些物联网传感器能够自主运行,从光\振动\温度梯度和电磁场等来源获取能量.例如,智能建筑中的温度感应物联网设备可以从建筑物内外的温差中收集能量,从而无需制定电池更换计划并确保持续运行.
可穿戴电子设备和植入式医疗设备
可穿戴电子设备,如智能手表和健身追踪器,以及植入式医疗设备,如起搏器和神经刺激器,也从能量收集中受益匪浅.可穿戴设备需要轻巧\舒适且具有持久的电力.能量收集可以将人体运动产生的动能转化为电能为这些设备供电.对于植入式医疗设备而言,从人体内部环境收集能量的能力,例如从心脏跳动产生的机械能或从人体体温获取的热能,可以延长设备的使用寿命并减少侵入性电池更换手术的需求.
微型环境中的能量收集类型
太阳能收集
太阳能收集是微型应用中最常见且最为人熟知的能量收集形式之一.微型太阳能电池,通常由硅或有机化合物等材料制成,可以集成到小型设备中.在放置于户外或光线充足的室内环境中的物联网传感器中,太阳能电池可以捕获阳光或人造光并将其转化为电能.多年来,太阳能电池的效率有了显著提高,一些微型太阳能电池的效率可达 20% - 30%.然而,挑战依然存在,例如需要直接光照以及一天中光照强度的变化.为应对这些挑战,研究人员正在开发能够更好地捕获弱光和漫射光条件的新材料和设计.
振动能量收集
振动能量在许多微尺度环境中十分丰富.振动源涵盖人体运动\机械振动,甚至风或水流引发的振动.振动能量收集通常采用压电材料,这类材料在受到机械应力时会产生电荷.例如,在可穿戴设备中,可设计压电元件,将人行走或手臂摆动的动能转化为电能.另一种方法是利用电磁感应原理,即线圈内振动的磁铁会产生电流.振动能量收集特别适用于设备所处环境存在持续振动的应用场景,但可收集的能量多少取决于振动的幅度与频率.
热能收集
热能收集利用两点间的温差来发电.在微尺度环境中,这可能是可穿戴设备中人体与周围空气的温差,或是工业环境里机器不同部件间的温差.基于塞贝克效应的热电发电机常用于热能收集.这些发电机由不同电导率的材料构成,当材料两端存在温度梯度时就会产生电压.微尺度应用中的热能收集效率仍相对较低,目前研究重点在于研发具有更高优值的新型热电材料,以提升效率.
电磁能收集
由于无线通信技术的广泛应用,环境中存在着诸如射频(RF)波之类的电磁能.微尺度设备能够从 Wi - Fi 信号\蓝牙信号,甚至环境中的广播和电视信号等来源收集射频能量.射频能量收集电路一般使用天线捕获射频信号,并通过整流器将交流电(AC)信号转换为直流电(DC).尽管环境中可用的射频能量相对较少,但对于为低功耗微尺度设备供电而言可能已足够.该领域的研究聚焦于提高射频能量收集电路的效率,并开发更灵敏的天线以捕获更微弱的射频信号.
优化能量收集的研究突破
用于增强能量转换的纳米材料
纳米材料的应用是优化微尺度环境能量收集的一项重大突破.碳纳米管\纳米线和量子点等纳米材料具备独特的电学\机械和光学特性,可提升能量收集设备的性能.比如,碳纳米管可用于提高振动能量收集设备中压电材料的导电性.其高长径比和出色的机械强度使机械能能更高效地转化为电能.在太阳能收集方面,量子点可用于调节太阳能电池的吸收光谱,使其能够捕获更广泛的光波长,进而有可能提高效率.
先进的能量管理系统
另一个研究突破领域是先进能量管理系统的开发.这些系统旨在将收集到的能量高效存储并分配给微尺度设备.超级电容器和可充电电池等能量存储元件与能量收集设备集成在一起.先进的控制算法根据收集到的能量可用性以及设备的功率需求,对这些能量存储元件的充电和放电过程进行优化.例如,在物联网传感器节点中,能量管理系统能在太阳能收集充足时对超级电容器充电.当太阳能不可用时,该系统可以优化方式从超级电容器放电,为传感器节点供电,确保其持续运行.
混合能量收集方法
研究人员越来越多地探索结合多种能量来源的混合能量收集方法.例如,一个设备可能同时集成太阳能和振动能量收集组件.如此一来,当阳光不可得时,设备仍能从环境振动中收集能量.混合能量收集通过确保总有可用能源,可提高微尺度设备的可靠性和功率输出.此外,新的电路设计也在不断开发中,以便在不同能量来源间无缝切换,并优化整体能量收集过程.
自适应能量收集机制
自适应能量收集机制是另一个活跃的研究领域.这些机制使能量收集设备能够适应不断变化的环境条件.例如,太阳能供电的物联网传感器可根据可用阳光强度调整自身功耗.阳光强烈时,传感器可执行更复杂的任务并储存多余能量.阳光微弱时,传感器可降低功耗并依靠储存的能量运行.同样,基于振动的能量收集设备能够通过调整收集元件的共振频率,适应振动频率和幅度的变化.
