据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究人员研发了一款开创性的微风唤醒风速计（B-WA），它集成了滚轴式摩擦纳米发电机（RB-TENG），为低功耗环境监测提供了一种新策略。微风唤醒风速传感计在不同风力条件下自主高效的强大运行能力标志着可持续环境监测领域的重大进步。
微风唤醒风速仪和滚轴式摩擦纳米发电机概览图。a. 微风唤醒风速仪的组成及其工作流程图。微风唤醒风速仪由两个滚轴式摩擦纳米发电机、一个自唤醒模块（SWM）、一个信号处理模块（SPM）和一个无线发射器组成；b. 滚轴式摩擦纳米发电机结构图；c. 铜电极及其外圈形态的扫描电子显微镜（SEM）图像；d. 滚轴式摩擦纳米发电机的工作原理；e. 滚轴式摩擦纳米发电机在不同风速驱动下的输出开路电压；f. 滚轴式摩擦纳米发电机在不同风速驱动下的输出短路电流；g. 滚轴式摩擦纳米发电机在不同风速驱动下的瞬时输出功率。
风速仪是收集气象数据的重要工具，对准确地预报天气及监测环境至关重要。传统的风速仪通常面临着高昂的维护成本和运行成本的挑战，主要因为传统的风速仪的静态功耗高及其对电池供电的依赖。这些挑战在偏远地区尤其显著，因为偏远地区更换电池或维修设备更加困难且昂贵。
微风唤醒风速仪演示图。a. 微风唤醒风速仪在智能环境风速监测中的应用前景；b. 微风唤醒风速仪在静止和活动状态下的动态功耗变化；c. 微风唤醒风速仪在室外环境下的照片；d. 笔记本电脑的显示界面；e. 自唤醒模块（SWM）、信号处理模块（SPM）、调制电路和微控制单元（MCU）、电源、无线收发器的照片。
低功耗微风唤醒风速仪可以通过延长部署周期，减少维护频率，提高至关重要但难以抵达的地区收集数据的可靠性，使环境监测的发展进入新阶段。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究小组在《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊上发表了一篇题为“A near-zero quiescent power breeze wake-up anemometer based on a rolling-bearing triboelectric nanogenerator”的论文，该论文详细介绍了这款微风唤醒风速仪及其远程天气监测的能力。
这款微风唤醒风速仪可保持接近零功耗的静止状态，当风速超过2米/秒时被激活。滚轴式摩擦纳米发电机在滚轴运动时产生能量，从而利用滚轴将风速仪从低功耗状态中“唤醒”。
微风唤醒风速仪被激活后，自唤醒模块可在0.96秒内“唤醒”整个系统，实现实时风速测量。同时，信号处理模块对滚轴式摩擦纳米发电机产生的信号频率进行处理，以9.45 Hz/(m/s)的灵敏度精确监测风速，确保数据采集的准确性和可靠性。
该研究的首席科学家Chi Zhang教授表示：“该风速仪不仅突破了纳米技术的限制，而且为全球天气监测的挑战提供了可持续的解决方案。它的低功耗和高灵敏度的优势对未来的环境传感至关重要。”
这项研究对农业规划和自然灾害预防等领域起着至关重要的作用，准确、及时的天气信息显著影响着这些领域的决策以及运营安全性。微风唤醒风速仪强大的功能和低维护成本的设计，使其成为集成到物联网（IoT）的理想选择，同时增强了各个领域的分布式环境监测。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00676-7
