隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能感知和分布式監(jiān)測系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對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、更換維護成本高、環(huán)境污染等問題，尤其是在復雜或惡劣環(huán)境中。在此背景下，傳感器自取能技術成為研究熱點。中國科學院李偉研究員及其團隊在基于電壓薄膜的傳感器自取能技術領域取得了系列重要進展，為工程與技術研究和試驗發(fā)展注入了新的動力。

一、 技術核心：電壓薄膜與能量收集機制

李偉團隊研究的核心在于利用先進的電壓薄膜材料，將環(huán)境中廣泛存在的微弱機械能（如振動、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）及其復合材料，在外力作用下產(chǎn)生內(nèi)部電荷分離，形成電壓。團隊通過微納結(jié)構(gòu)設計、材料復合與摻雜，顯著提升了薄膜的機電轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境適應性。

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

• 熱釋電薄膜：針對溫度波動環(huán)境，利用材料極化隨溫度變化的特性產(chǎn)生電壓。團隊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備、結(jié)構(gòu)或環(huán)境中，持續(xù)捕獲“廢棄”能量。

二、 關鍵研究進展

李偉團隊的研究進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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合薄膜，拓寬了應用場景。
2. 器件結(jié)構(gòu)與集成設計：設計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。團隊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)、儲能）與傳感單元進行微型化、一體化集成，形成完整的自供能傳感節(jié)點。
3. 功率管理與系統(tǒng)效能提升：針對薄膜產(chǎn)生的電能通常具有間歇性、電壓不規(guī)則的特點，團隊研發(fā)了高效的低功耗電源管理芯片和電路，實現(xiàn)了能量的有效整流、存儲（如利用微型超級電容器）和按需分配，確保了傳感器在無光照、無振動的間歇期也能穩(wěn)定工作。
4. 面向應用的系統(tǒng)驗證：團隊將研究成果應用于具體場景進行驗證，例如：

• 工業(yè)監(jiān)測：在旋轉(zhuǎn)機械、橋梁、管道等設備結(jié)構(gòu)上部署自取能振動傳感器，實現(xiàn)狀態(tài)實時監(jiān)測與故障預警，無需布線換電。

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

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

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

三、 對工程和技術研究與試驗發(fā)展的意義與展望

李偉團隊的工作對“工程和技術研究和試驗發(fā)展”領域具有深遠影響：

• 推動自主創(chuàng)新：突破了傳感器能源供給的關鍵瓶頸，促進了我國在高端傳感與微能源領域的自主技術發(fā)展。
• 賦能新型系統(tǒng)：使得構(gòu)建大規(guī)模、長壽命、免維護的無線傳感網(wǎng)絡成為可能，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能基礎設施、環(huán)境感知等重大工程提供了底層技術支撐。
• 促進交叉融合：該研究深度整合了材料科學、微電子、機械工程、電路與系統(tǒng)等多個學科，是典型的交叉學科創(chuàng)新范例，推動了相關試驗方法和研發(fā)模式的進步。
• 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仍面臨輸出功率有待進一步提高、環(huán)境適應性需進一步增強、成本需進一步降低等挑戰(zhàn)。李偉團隊表示，未來的研究將聚焦于開發(fā)更高性能的多功能復合薄膜、探索新型能量轉(zhuǎn)換機制（如混合模式）、深化與人工智能結(jié)合實現(xiàn)智能能量管理，并推動技術在更廣闊工程場景中的規(guī)模化示范應用。隨著這些技術的不斷成熟，真正實現(xiàn)“萬物互聯(lián)、萬物自供能”的愿景將越來越近。