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
中图分类号： TM919 文献标识码： A
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， Thad Starner[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，Rich Meier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，男性参与者呼气时平均可产生1.3V的输出电压，女性参与者平均可产生0.7V的输出电压。
Hamid等[9]设计了一种基于人体呼吸运动的能量收集系统，该系统由改进的腰带、压电薄膜阵列和集成电路组成。在不影响正常呼吸的前提下，安全且便捷地对人体呼吸时腹部运动产生的能量进行收集。实验和模拟结果表明，使用10层的压电薄膜阵列制成的腰带，平均可输出1.5的功率。
2.3 压电式人体心脏跳动能量收集
2014年，Dagdeviren等[10]提出一种基于应变的能量采集器，如图4（a、b）所示，用以收集心脏收缩和舒张产生的能量。将厚度500nm的PZT带夹在两金属电极之间，固定在柔性的PI（聚酰亚胺）衬底上，并用生物相容性材料封装起来，能量收集器中还集成了桥式整流器和毫米级的电池，用以采集和存储能量。柔性的能量收集器固定在牛和绵羊心脏的心室表面，其产生的最大开路电压为4-5V，使用多层堆叠结构，其最大功率密度可以达到1.2。
同年，Hwang等[11]设计了一种基于单晶PMN-PT压电薄膜的心脏能量收集器，如图4（c、d）所示，用以实现人体心脏起搏器的自供电工作。柔性的PMN-PT压电薄膜在手指周期性的弯曲下，产生的电流和电压分别为145和8.2V，通过手指敲击时会产生最高的电流输出是223，产生的电能成功地点亮50个LED灯。最后在进行的活鼠实验中，成功对其心肌实施实时功能性电刺激。2017年，该课题组在猪的体内进行了相关实验，测得柔性的能量收集器的短路电路为1.75和开路电压为17.8V。
（a）堆叠式的能量采集器（b）收集绵羊心脏能量
（c）PMN-PT压电薄膜（d）活鼠电刺激实验
2.4 压电式人体腿部能量收集
Pozzi等[12]设计了一种压电式人体腿部运动能量收集装置，如图5（a）所示，利用人体步行时小腿的摆动，来收集腿部产生的能量。能量收集裝置主要由转子、定子、拨片和压电悬臂梁组成，将其安装在人体腿部膝关节处，步行时，利用小腿的摆动带动拨片，从而驱动压电悬臂梁收集能量。实验结果表明，在人体背上24kg负载时，可以平均产生2.06的输出电能。
Wei S等[13]设计了一种压电碰撞振动能量收集器，如图5（b、c）所示，利用人体行走过程中，脚踝处弯曲产生的能量。能量收集装置主要由圆柱滑块和压电梁组成，在行走过程中，圆柱滑块上多个凸起的圆弧面会碰撞压电悬臂梁，致使压电悬臂梁弯曲产生电能。实验结果表明，步行频率5，外接20负载电阻时，可输出51的平均功率。
（a）膝关节能量收集器结构示意图
（b）碰撞能量收集器零件（c）碰撞能量收集器
2.5 压电式人体其他部位能量收集
2007年，Jonathan等[14]开发出一种新型的压电背包，将传统的背包带替换成由PVDF压电薄膜制成的背带，实验测得在背带承受444N载荷时，每个52厚压电肩带（一共四个）的最大瞬时输出功率为0.345W，平均功率为45.6。
2018年，Richard Fan等[15]设计了一种固定在下颌骨上的压电能量收集器，并设计了一种下颌加载设备，来模拟人体咀嚼过程中施加在下颌骨上的力。实验测得开路峰值电压可达1.2V，该研究的结果对利用人体下颌骨产生的能量为深层脑部刺激系统供电提供新的见解。
3 发展趋势
压电式人体能量收集系统的主要发展趋势将集中在以下几个方面：（1）俘能装置与纺织品进行结合，尽可能小的影响人体运动的前提下，完成对人体能量的收集;（2）设计出高效率、低功耗的能量采集电路以及存储电路，从而提高俘能系统的输出;（3）实现智能可穿戴设备健康监测系统的自供电。
参考文献
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