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压电式人体能量收集技术的研究现状

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陈驰刘进超

摘要

针对人体的能量分布以及可利用的潜力，详细介绍了人体呼吸、血压、肢体运动所蕴含的能量，并从装置设计、综合性能以及实验结果等方面系统地综述了当前国内外利用正压电效应采集人体能量的主要研究成果，最后对压电式人体能量收集的后续研究和发展方向提出了展望。

关键词

压电式;人体能量;能量收集

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DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.09

0引言

人体具有源源不断的充沛能量，目前对人体能量收集的方式主要有压电式、静电式和电磁式，其中压电式具有结构简单、输出功率密度大、易于加工制作等优点，成为近20年来的热点研究问题。在此，从能量来源、装置设计、采集电路和实验结果等方面系统地综述当前国内外压电式采集人体各个部位能量的主要研究成果，并对后续研究和发展方向提出展望。

1压电发电原理

压电发电原理主要应用到了压电材料的正压电效应，当压电材料受到外机械力作用时，压电材料内部会出现电荷不对称分布的现象，从而在其表面会有符号相反电荷的产生，其产生的电荷密度与受到的外机械力成正比。压电式人体能量收集技术就是利用压电材料的正压电效应来收集低频的人体能量。

2压电式人体能量收集的研究现状

早在1984年，Hausler[1]将PVDF压电薄膜固定在狗的肋骨上，收集狗在呼吸时肋骨伸张运动所产生的能量，研究结果表明，狗在自然呼吸时，可产生18V的输出电压，输出功率约为17。优化PVDF压电换能器形状，使之更加贴合狗的肋骨，最终测试发现，壓电换能器输出能量能够达到1左右。1996年，ThadStarner[2]利用压电陶瓷来收集人们在开、合笔记本电脑时产生的能量，欲以驱动笔记本电脑工作。通过这两项研究开始了利用正压电效应收集人体各个部位能量的研究领域。

2.1压电式人体足底能量收集

人体在行走过程中，足底冲击地面产生的能量很大，所以在对人体能量收集的众多方案中，足底是研究人员关注的焦点。1998年，美国麻省理工（MIT）多媒体实验室Kymissis等[3]为了收集人体在行走时足底产生的能量，将PZT（压电陶瓷）和PVDF（聚偏二氟乙烯）薄膜分别安装在运动鞋的脚后跟和前脚掌处，如图1（a）所示。前脚掌处采用2mm厚的六边形的柔性塑料基底两边各粘贴8层28的PVDF，工作模式为，收集人体行走时，前脚掌弯曲产生的能量;脚后跟处采用粘贴在弯曲弹簧钢上的5×5×0.038cm的PZT，收集人体行走时，脚跟冲击地面的能量。在外接250负载、1Hz行走频率的条件下，PVDF输出峰值功率约为20，平均功率为1.1，PZT的输出峰值功率约为80，平均功率1.8。随后，该实验室的Shenck等[4]改进了脚跟处俘能器的结构，如图2（b）所示，在弯曲的不锈钢上背对背粘贴两个PZT单晶片，在外接500k负载、0.9Hz行走频率的条件下，平均输出功率为8.4。

2013年，Daniels等[5]设计了一种矩形屈伸的能量收集器，如图2（c）所示，从人体行走中，脚与地面之间的相对运动中收集能量。挠性端盖一方面扩大了向下施加的力，另一方面保护了压电元件免受冲击。收集器被放置在靴底中，在1.4Hz运动频率、760N的冲击下，压电鞋产生2.5的平均功率，并能够独立地为无线传感器模块供电。

2014年，RichMeier等[6]设计了一种集成在传统鞋子中的压电能量收集系统，如图2（a）所示，通过收集足底冲击地面产生的能量，用以驱动人体足底六个位置的压力传感器，来反映神经性系统疾病患者的健康状况。系统的实验结果表明，一个身高180cm、体重90.7kg的男性使用者，平均每一步可捕获10-20的能量，所收集的能量足以驱动压力传感器正常工作。

同年，Zhao等[7]开发了一款PVDF内嵌式压电能量收集鞋，如图2（b）所示。在设计中，为了获得高输出功率，将8层PVDF压电薄膜堆叠在一起，并将它们夹在两个波浪形表面之间，如图3所示，将堆叠的PVDF压电薄膜固定在下板的两端，上板利用脚的冲击被激励，上板向下移动，PVDF薄膜被拉伸并贴合在波浪形表面。在1Hz的步行频率下，该压电鞋可产生峰值电压136V，峰值功率为4，平均功率为1。

2.2压电式人体胸部能量收集

Manisha等[8]开发设计了一种压电式肺活量计，在不干扰肺参数测量的前提下，使用PVDF（聚偏二氟乙烯）压电薄膜对呼气时产生的能量进行收集。实验采用校准的注射器模拟人体呼吸的动作，在管径40mm时的输出电压最大，达到1.1V。此外，实验还对不同身高、体重、年龄和性别的各个对象进行测量，实验结果表明身高、年龄与输出电压成正相关，体重对输出影响较小，男性