顆粒在線訊：研究亮點(diǎn)：

1. 提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的雨滴能收集單元，基于該單元的陣列可以同時(shí)作為雨滴能采集器和雨量傳感器。

2. 提出了一種雨滴能驅(qū)動(dòng)的自主式無(wú)線雨量計(jì)，結(jié)合能量管理電路實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的完全自驅(qū)動(dòng)。

3. 該自主式無(wú)線雨量計(jì)可以自主的采集及無(wú)線發(fā)射降雨量信息，展示了其在無(wú)人值守環(huán)境中的天氣監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

背景介紹

雨水是人類(lèi)和其他陸地生物的主要淡水來(lái)源。雨量計(jì)是一種重要的雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備，通常分布于無(wú)人值守的環(huán)境，需要較長(zhǎng)的使用壽命。迄今為止，常規(guī)雨量計(jì)的工作原理主要包括虹吸式、稱(chēng)重式和翻斗式，它們往往具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。此外，雨量計(jì)中的電子設(shè)備主要由化學(xué)電池供電，大大增加了維護(hù)成本和環(huán)境污染。因此，探索新結(jié)構(gòu)、新原理的雨量計(jì)，并通過(guò)收集雨滴能量為其供電，將是一種可行的、最優(yōu)的雨量測(cè)量方案。

自2012年摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)發(fā)明以來(lái)，其既可以作為雨滴能采集器也可以作為主動(dòng)式降雨量傳感器，為雨滴能的俘獲與傳感提供了新思路。作為雨滴能采集器，TENG可以基于固-液界面接觸起電將雨滴能直接轉(zhuǎn)化為電能，為分布式電子設(shè)備提供可持續(xù)的微/納米能源。作為降雨量傳感器，TENG可以直接將降雨信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，無(wú)需其他復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和外部電源供電。然而，傳感信號(hào)處理和傳輸仍然需要外部電源供電。如果將基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的主動(dòng)式降雨量傳感器完全由基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的雨滴能采集器供電，建立一個(gè)自驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳感系統(tǒng)，則有望實(shí)現(xiàn)永久續(xù)航的自驅(qū)動(dòng)無(wú)線雨量計(jì)。

成果簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于固-液界面接觸起電摩擦納米發(fā)電機(jī)的雨滴能驅(qū)動(dòng)的自主式雨量計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雨滴能的收集和降雨強(qiáng)度的傳感。受益于雨滴和功能薄膜之間的接觸帶電特點(diǎn)，使得雨量計(jì)系統(tǒng)可以通過(guò)獲取雨滴能量后自動(dòng)激活。雨滴能摩擦納米發(fā)電機(jī)陣列被分為能量輸出端和信號(hào)輸出端兩部分：能量輸出端輸出的電能通過(guò)電源管理模塊轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的2.5 V直流電壓以驅(qū)動(dòng)后端器件；信號(hào)輸出端輸出電信號(hào)用于傳感雨量大小。當(dāng)降雨強(qiáng)度為71 mm/min 時(shí)，降雨數(shù)據(jù)可以在10 m范圍內(nèi)每4 min 自動(dòng)發(fā)射一次。當(dāng)降雨強(qiáng)度降低，雨量計(jì)的儲(chǔ)能減少時(shí)，其可以自主的調(diào)節(jié)發(fā)射頻率以提高續(xù)航能力。該工作通過(guò)集成基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的雨滴能采集器和主動(dòng)式雨量傳感器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完全自驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)、氣象監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以Raindrop energy-powered autonomous wireless hyetometer based on liquid–solid contact electrification為題，發(fā)表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上（DOI: 10.1038/s41378-022-00362-6）。

要點(diǎn)1：自主式無(wú)線雨量計(jì)（R-RMS）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作機(jī)理

R-RMS由雨滴能摩擦納米發(fā)電機(jī)（R-TENG）、能量管理模塊（EMM）、信號(hào)處理模塊（SPM）和無(wú)線發(fā)射模塊組成。R-TENG由能量輸出端（H-TENG）和信號(hào)輸出端（S-TENG）組成，分別用于雨滴能收集和降雨強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。H-TENG與EMM相連接，將轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行管理、存儲(chǔ)及穩(wěn)壓以供能后端用電器件；S-TENG與SPM相連接，對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行解算以傳感降雨量信息；無(wú)線發(fā)射模塊電連接于信號(hào)處理模塊的后端，用于無(wú)線發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖 1. 雨滴能驅(qū)動(dòng)的自主式無(wú)線雨量計(jì)（R-RMS）的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制。(a) R-RMS構(gòu)成及工作流程圖。(b) R-TENG 的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(c) PTFE表面的 SEM 圖像及接觸角。(d) R-TENG 單元的電荷轉(zhuǎn)移原理圖。

要點(diǎn)2：H-TENG陣列的電輸出和能量管理特性

H-TENG與EMM電連接，將發(fā)電機(jī)輸出的隨機(jī)、脈沖式的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的2.5 V直流電壓以驅(qū)動(dòng)后端電子器件。EMM由能量管理電路、儲(chǔ)能電容及調(diào)節(jié)器組成。H-TENG輸出的電能經(jīng)能量管理電路處理后儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容中，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓達(dá)到3.3 V時(shí)，調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作，EMM就可以為后端用電器件提供一個(gè)穩(wěn)定的2.5 V直流電壓。儲(chǔ)能電容被充電到3.3 V所需的時(shí)間隨著降雨強(qiáng)度的增大而縮短。當(dāng) H-TENG 在 71 mm/min 的降雨強(qiáng)度下工作時(shí)，儲(chǔ)能電容的電壓在33分鐘內(nèi)從0 V上升到3.3 V。

圖 2. H-TENG 陣列的電輸出和能量管理特性。(a) H-TENG陣列示意圖(M×N)。(b) 串聯(lián)H-TENG單元的開(kāi)路電壓波形(N=1)。(c) 開(kāi)路電壓與串聯(lián)數(shù) M (N=1) 的關(guān)系。(d) H-TENG 并聯(lián)組數(shù)的平均短路電流波形 (M=12)。(e) 短路電流與組數(shù)N( M = 12)之間的關(guān)系。(f) 不同電阻下的H-TENG 的輸出功率 (M=12; N=30, 60, 90)。(g) EMM等效電路圖。(h)在EMM (C2 =15 mF) 下的 H-TENG 的電壓波形。(i) 對(duì)不同電容器 (C2) 的充電特性。(j) 負(fù)載電阻為 1 MΩ 時(shí) EMM 的能量存儲(chǔ)和電壓調(diào)節(jié)波形。(k) 不同降雨強(qiáng)度下 15 mF 電容器充電至 3.3 V 的時(shí)間。

要點(diǎn)3：降雨強(qiáng)度監(jiān)測(cè)機(jī)制

S-TENG連接到SPM以監(jiān)測(cè)降雨量。當(dāng)雨滴落在S-TENG上時(shí)，SPM可以根據(jù)S-TENG輸出的電壓測(cè)量降雨量。SPM由信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)（MCU）組成。信號(hào)調(diào)理電路將S-TENG的輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU可檢測(cè)的電壓信號(hào)。MCU用于分析來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路的降雨信息。當(dāng)雨滴落在S-TENG上時(shí)，電容C3的電壓可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，電阻R1兩端的電壓Um也可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。隨著降雨強(qiáng)度的不同，Um可以達(dá)到不同的穩(wěn)定值。因此，MCU可以根據(jù)電壓Um獲取降雨量。該自驅(qū)動(dòng)雨量計(jì)的靈敏度可以達(dá)到0.239?V/(mm/min)。同時(shí)，自驅(qū)動(dòng)雨量計(jì)也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在71 mm/min的降雨強(qiáng)度下連續(xù)測(cè)試25個(gè)小時(shí)，測(cè)量電壓僅下降2.3%。

圖 3. S-TENG的降雨監(jiān)測(cè)原理和特點(diǎn)。(a) S-TENG 雨量監(jiān)測(cè)示意圖。(b) 不同電容器的測(cè)量電壓波形。(c) 使用不同電容器監(jiān)測(cè)降雨的電壓波動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間。(d) 實(shí)測(cè)電壓與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系。(e) 雨量監(jiān)測(cè)電壓的穩(wěn)定性。

要點(diǎn)4：自主式無(wú)線雨量計(jì)的應(yīng)用

通過(guò)耦合雨滴能收集器和降雨強(qiáng)度傳感器，R-RMS可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)自主的降雨監(jiān)測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。在模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)試了雨量計(jì)的性能，在持續(xù)降雨的情況下，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓達(dá)到3.3 V，系統(tǒng)被啟動(dòng)以后，雨量計(jì)可以根據(jù)電容中剩余電能的多少，自主的調(diào)節(jié)降雨量監(jiān)測(cè)和無(wú)線發(fā)射的頻率。當(dāng)降雨強(qiáng)度為71 mm/min時(shí)，雨量計(jì)可以每4分鐘向10米范圍內(nèi)無(wú)線發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在物聯(lián)網(wǎng)、氣象監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

圖 4. 持續(xù)自主雨量監(jiān)測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。(a) R-RMS戶(hù)外應(yīng)用前景示意圖。(b) 在模擬的多雨環(huán)境中演示 R-RMS系統(tǒng)。(c) R-TENG、EMM、MCU和無(wú)線模塊的照片。(d) 存儲(chǔ)電容器在幾個(gè)發(fā)射周期內(nèi)的電壓變化。(e) 無(wú)線接收終端獲取的降雨數(shù)據(jù)。

小結(jié)

綜上所述，該工作基于固-液接觸起電摩擦納米發(fā)電機(jī)，既作為雨滴能收集器，又作為雨量傳感器，結(jié)合能源管理模塊、信號(hào)處理模塊、無(wú)線發(fā)射模塊，設(shè)計(jì)了一個(gè)完全自驅(qū)動(dòng)的自主式無(wú)線雨量計(jì)。當(dāng)降雨強(qiáng)度為 71 mm/min 時(shí)，降雨數(shù)據(jù)在 10 m 范圍內(nèi)每 4 min 自動(dòng)傳輸一次。當(dāng)雨量減小，雨量計(jì)的儲(chǔ)能下降時(shí)，其可以自主的調(diào)節(jié)發(fā)射頻率以提高續(xù)航能力。該工作通過(guò)集成基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的雨滴能采集器和主動(dòng)式雨量傳感器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完全自驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)、氣象監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

Xu, C., Fu, X., Li, C. et al. Raindrop energy-powered autonomous wireless hyetometer based on liquid–solid contact electrification. Microsyst Nanoeng 8, 30 (2022).

DOI：10.1038/s41378-022-00362-6

http://doi.org/10.1038/s41378-022-00362-6