2024年7月24日，浙江大學(xué)控制學(xué)院曹云琦研究員、侯迪波教授團隊受邀在《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能量采集器人體運動適應(yīng)性增強方法（Human-motion adaptability enhancement of wearable electromagnetic vibration energy harvesters toward self-sustained body sensor networks）”的專題綜述論文。

作為物聯(lián)網(wǎng)概念的一個蓬勃發(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，將更多個性化的智能服務(wù)融入健康監(jiān)測、體育運動、人機交互、戶外作業(yè)、災(zāi)情救援等諸多領(lǐng)域，強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、數(shù)量的增長和功能的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的電池供電方式已無法滿足其長期自主化運行的需求，BSN節(jié)點的可持續(xù)性供電問題成為了該領(lǐng)域進一步發(fā)展的一大瓶頸。

事實上，人體自身存儲著充足的能量，其中超過100 W的能量在人們的日常生活中以機械能、熱能、化學(xué)能等形式釋放出來。若能在不對人體活動產(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)點提供充足的電能，從而擺脫對需要人工更換、反復(fù)充電的電池的依賴，實現(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技術(shù)的主體。尤其是針對蘊含可觀生物機械能（~60 W）的人體肢端運動的可穿戴振動能量采集器，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，人體生物機械運動本身的超低頻（<5 Hz）、方向多變等特性及不規(guī)則性、不連續(xù)性，對可穿戴振動能量采集器的人體運動適應(yīng)性提出了較高要求，目前可穿戴能量采集器的研發(fā)進展與其長期穩(wěn)定的實際應(yīng)用之間仍然存在較大差距。

鑒于上述背景，該團隊從BSN節(jié)點的可持續(xù)供能問題出發(fā)，聚焦電磁式可穿戴振動能量采集器領(lǐng)域中針對人體肢端運動適應(yīng)性的增強設(shè)計這一主題，通過深入研究近些年在電磁式可穿戴振動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，并對該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢和面臨的幾項重要挑戰(zhàn)提出了見解。

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動各方面的生物力學(xué)特性，將近些年的電磁式可穿戴振動能量采集器拾振結(jié)構(gòu)設(shè)計分為最優(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動轉(zhuǎn)換方法（movement conversion methods with nonlinear strokes）和能量損失縮減對策（energy loss reducing solutions）四大類；結(jié)合研究案例，詳細闡述了這四大類所涵蓋的各類技術(shù)、方法的設(shè)計原理、運動學(xué)響應(yīng)、性能優(yōu)勢及對能源自持BSNs的賦能作用，全面地展現(xiàn)出了這一先進技術(shù)領(lǐng)域?qū)茖W(xué)與工程的有機結(jié)合；并以多樣化人體活動激勵下電磁式可穿戴振動能量采集器的長期、高效、穩(wěn)定工作為目標(biāo)，深入探討了這一技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢和亟待解決的重要挑戰(zhàn)，為該領(lǐng)域內(nèi)的未來研究工作提供了重要指導(dǎo)和參考，同時，對物聯(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)價值。

該團隊百人計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，曹云琦研究員為獨立通訊作者，團隊侯迪波教授、張光新教授、碩士研究生單綺瑋、博士研究生高晨陽等為主要作者。