能量收集是一种绿色技术，它能捕获白白浪费的能量并将其转化为电能。振动，在我们周围无处不在，是一种前景广阔的能量收集来源。尤其是振动能量收集技术，能够不受天气或地形条件的影响，持续稳定地产生电能，近来正成为下一代供电技术而备受关注。
据麦姆斯咨询介绍，韩国标准与科学研究院（KRISS）开发出一种超构材料，能够捕获并放大小区域内的振动，收集浪费的振动能量并将其转化为电能，加速“能量收集”技术的商业化进程。
KRISS开发的超构材料
能量收集可以将热能、光能和振动等形式的能量转化为电能。太阳能发电利用太阳光作为能源，是一种常用的发电方式，但它存在一些局限性，例如输出功率不稳定、无法在特定天气和地形条件下发电等。
与此相对的是，利用无处不在的振动作为能源，可以在不受周围环境限制的情况下稳定发电。正因如此，对于需要全天候持续供电的物联网（IoT）传感器和需要实时测量血压和血糖水平的可穿戴医疗设备，振动能量收集作为一种未来电力来源正受到越来越广泛的关注。
阻碍振动能量收集的主要问题是其功率输出较低，生产成本较高，因而对于实际应用还面临挑战。振动能量收集产生的功率与振动幅度成正比，但我们在日常生活中遇到的大多数振动都很微小。为了克服这一矛盾，应考虑在更多暴露于相对较大振动的位置安装大量能量转换装置（如压电元件）。
KRISS所提出的结构利用了众所周知的超构表面内部波捕获机制，针对超过临界角的入射波而开发。所开发的方法首次优化了用于波能放大的超构表面结构，以有限的紧凑尺寸实现了超构表面结构的实用附着形式。KRISS开发的超构表面结构从作用上可分为三个有限区域：超构表面区域、相位匹配区域和附着区域。研究人员通过实验验证了所提出的超构表面结构，实验结果表明，输入的挠曲振动振幅放大了20多倍。这种急剧的放大作用，是由所提出的简单金属结构的固有阻尼特性实现的。研究人员通过数值模拟深入探讨了这种结构的详细工作原理以及各组分的物理意义。
KRISS开发的超构表面能够捕捉并积累微振动，并将其放大45倍以上。这样，使用相对少量的压电元件，就能产生更多的电力。通过利用所开发的超构表面进行振动能量收集，研究小组成功地使单位面积发电量比传统技术提高了四倍多。
KRISS开发的超构表面的振动放大性能概念展示，能够将微振动放大45倍以上
特别是，新开发的超构表面具有薄而扁平的结构，大小与成年人的手掌差不多，因此可以很容易地附着在任何会产生振动的表面上。由于这种超构表面的结构可以很容易地进行修改，以适应所附着的物体，因此其应用范围非常广泛，例如，从监测高层建筑或大型桥梁的诊断传感器，到监测个人健康状况的小型生物传感器等。
KRISS声学、超声波和振动计量学小组的高级研究员Lee Hyung Jin说：“这项研究是世界上首次利用振动能量收集超构表面成功地积累并放大振动。”
KRISS无损计量学小组的高级研究员Seung Hong Min也表示了浓厚的兴趣，他评论说：“超构材料可用于开发下一代高精度、高灵敏度传感器，它能极大地放大传统传感器难以测量的超微振动。”
这项研究由KRISS与成均馆大学先进材料科学与工程学院Kim Miso教授研究团队合作进行。这项研究得到了韩国科学和信息通信技术部通过韩国国家研究基金会资助的韩国战略研发计划、韩国国家研究基金会资助的基础科学研究计划（MEST）、韩国环境产业技术研究院资助的创新饮用水和废水处理技术开发项目以及KRISS基础项目的支持。该研究成果已发表于Mechanical Systems and Signal Processing期刊。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110996
延伸阅读：
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》
