2024年7月24日，浙江大學(xué)控制學(xué)院曹云琦研究員、侯迪波教授團(tuán)隊(duì)受邀在《Cell Reports Physical Science》期刊發(fā)表題為“服務(wù)于能源自持人體傳感網(wǎng)絡(luò)的電磁式可穿戴振動(dòng)能量采集器人體運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性增強(qiáng)方法（Human-motion adaptability enhancement of wearable electromagnetic vibration energy harvesters toward self-sustained body sensor networks）”的專(zhuān)題綜述論文。

作為物聯(lián)網(wǎng)概念的一個(gè)蓬勃發(fā)展的分支，人體傳感網(wǎng)絡(luò)（Body Sensor Network，BSN）將可穿戴傳感器、執(zhí)行器和微型智能終端互聯(lián)起來(lái)，將更多個(gè)性化的智能服務(wù)融入健康監(jiān)測(cè)、體育運(yùn)動(dòng)、人機(jī)交互、戶(hù)外作業(yè)、災(zāi)情救援等諸多領(lǐng)域，強(qiáng)化了人與信息之間的聯(lián)系，悄然改變著人們生活的方方面面。然而，隨著這些可穿戴電子設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量的增長(zhǎng)和功能的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的電池供電方式已無(wú)法滿(mǎn)足其長(zhǎng)期自主化運(yùn)行的需求，BSN節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)性供電問(wèn)題成為了該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的一大瓶頸。

事實(shí)上，人體自身存儲(chǔ)著充足的能量，其中超過(guò)100 W的能量在人們的日常生活中以機(jī)械能、熱能、化學(xué)能等形式釋放出來(lái)。若能在不對(duì)人體活動(dòng)產(chǎn)生顯著影響的前提下，將這些人體中的能量作為可持續(xù)能源加以利用，僅僅采集、轉(zhuǎn)化其中一小部分便可為BSN節(jié)點(diǎn)提供充足的電能，從而擺脫對(duì)需要人工更換、反復(fù)充電的電池的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)完全能源自持的人體傳感網(wǎng)絡(luò)。

由此，基于電磁、壓電、摩擦電、熱電等各種原理的小型化可穿戴能量采集器應(yīng)運(yùn)而生，構(gòu)成了自供能傳感技術(shù)這一新興智能感知與檢測(cè)技術(shù)的主體。尤其是針對(duì)蘊(yùn)含可觀生物機(jī)械能（~60 W）的人體肢端運(yùn)動(dòng)的可穿戴振動(dòng)能量采集器，具有優(yōu)越的輸出功率水平和便攜性，展現(xiàn)出了光明的前景。然而，人體生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)本身的超低頻（<5 Hz）、方向多變等特性及不規(guī)則性、不連續(xù)性，對(duì)可穿戴振動(dòng)能量采集器的人體運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性提出了較高要求，目前可穿戴能量采集器的研發(fā)進(jìn)展與其長(zhǎng)期穩(wěn)定的實(shí)際應(yīng)用之間仍然存在較大差距。

鑒于上述背景，該團(tuán)隊(duì)從BSN節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)供能問(wèn)題出發(fā)，聚焦電磁式可穿戴振動(dòng)能量采集器領(lǐng)域中針對(duì)人體肢端運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性的增強(qiáng)設(shè)計(jì)這一主題，通過(guò)深入研究近些年在電磁式可穿戴振動(dòng)能量采集器高效拾振結(jié)構(gòu)方面的研究現(xiàn)狀，梳理了這一能源自持人體傳感網(wǎng)絡(luò)賦能技術(shù)的發(fā)展路線，并對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和面臨的幾項(xiàng)重要挑戰(zhàn)提出了見(jiàn)解。

文章基于超低頻、主導(dǎo)頻率不規(guī)則、方向多變等人體肢端運(yùn)動(dòng)各方面的生物力學(xué)特性，將近些年的電磁式可穿戴振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為最優(yōu)工作頻率匹配策略（optimal working frequency matching strategies）、工作頻帶拓寬技術(shù)（working band broadening techniques）、帶有非線性行程的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換方法（movement conversion methods with nonlinear strokes）和能量損失縮減對(duì)策（energy loss reducing solutions）四大類(lèi)；結(jié)合研究案例，詳細(xì)闡述了這四大類(lèi)所涵蓋的各類(lèi)技術(shù)、方法的設(shè)計(jì)原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)、性能優(yōu)勢(shì)及對(duì)能源自持BSNs的賦能作用，全面地展現(xiàn)出了這一先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域?qū)茖W(xué)與工程的有機(jī)結(jié)合；并以多樣化人體活動(dòng)激勵(lì)下電磁式可穿戴振動(dòng)能量采集器的長(zhǎng)期、高效、穩(wěn)定工作為目標(biāo)，深入探討了這一技術(shù)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和亟待解決的重要挑戰(zhàn)，為該領(lǐng)域內(nèi)的未來(lái)研究工作提供了重要指導(dǎo)和參考，同時(shí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、人體傳感網(wǎng)絡(luò)、可穿戴電子、自供能傳感、小型化機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新具有重要的科學(xué)價(jià)值。

該團(tuán)隊(duì)百人計(jì)劃研究員曹云琦與博士研究生范舒羽為該綜述論文的共同第一作者，曹云琦研究員為獨(dú)立通訊作者，團(tuán)隊(duì)侯迪波教授、張光新教授、碩士研究生單綺瑋、博士研究生高晨陽(yáng)等為主要作者。