隨著便攜式與可穿戴電子設(shè)備的爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)電池在續(xù)航能力、更換頻率及環(huán)保性方面的局限性日益凸顯。在此背景下，從人體運(yùn)動(dòng)中捕獲機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能的“能量收集”技術(shù)，成為解決低功耗電子設(shè)備供電難題的關(guān)鍵路徑。近日，中國沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)工程材料》（Advanced Engineering Materials）期刊發(fā)表研究成果，展示了一種基于磁致伸縮鐵鎵（Fe–Ga）合金的膝關(guān)節(jié)動(dòng)能收集器，為可穿戴能源領(lǐng)域提供了新的技術(shù)思路。

磁致伸縮效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的高效能量轉(zhuǎn)換機(jī)制

該研究的核心在于利用磁致伸縮材料的特性實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的直接轉(zhuǎn)換。設(shè)備主體由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、彎曲復(fù)合梁、鐵鎵合金薄板、拾取線圈以及偏置磁場組成。其工作原理類似于一個(gè)微型發(fā)電機(jī)：當(dāng)佩戴者行走或跑步時(shí)，膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)彎曲復(fù)合梁發(fā)生周期性撓曲變形。

這種機(jī)械變形作用于鐵鎵合金薄板，使其內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生交變磁場。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場穿過拾取線圈，從而在線圈中感應(yīng)出電流。這一過程利用了維拉里效應(yīng)（Villari effect）與電磁感應(yīng)的耦合，將人體步態(tài)產(chǎn)生的低頻、大振幅機(jī)械運(yùn)動(dòng)高效轉(zhuǎn)化為電能。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯著提升輸出功率

為了克服磁致伸縮能量收集器通常存在的低輸出電壓和功率密度問題，研究團(tuán)隊(duì)對線圈參數(shù)、偏置磁場配置以及外部負(fù)載進(jìn)行了系統(tǒng)性優(yōu)化。通過調(diào)整這些關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)備在特定工況下的能量轉(zhuǎn)換效率得到了顯著增強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)測試顯示，當(dāng)該裝置佩戴于膝關(guān)節(jié)并以7公里/小時(shí)的速度慢跑時(shí)，能夠輸出穩(wěn)定的14.96至15.65毫瓦（mW）功率。這一數(shù)據(jù)對于為心率監(jiān)測器、計(jì)步傳感器或低功耗藍(lán)牙模塊等微型電子設(shè)備供電而言，已具備實(shí)際應(yīng)用能力。相較于傳統(tǒng)的壓電式收集器，磁致伸縮方案在低頻振動(dòng)環(huán)境下往往表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性和更高的能量密度潛力。

從實(shí)驗(yàn)室走向穿戴應(yīng)用的潛力驗(yàn)證

除了臺架實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用測試，驗(yàn)證了設(shè)備在真實(shí)運(yùn)動(dòng)場景下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該鐵鎵基收集器在不同步頻和負(fù)載條件下均能保持較為穩(wěn)定的輸出性能，證明了其在人體運(yùn)動(dòng)能量收集領(lǐng)域的廣闊前景。

當(dāng)前，可穿戴能源技術(shù)正從單一的壓電或摩擦納米發(fā)電機(jī)向多物理場耦合、材料創(chuàng)新方向演進(jìn)。鐵鎵合金作為一種巨磁致伸縮材料，具有響應(yīng)速度快、機(jī)械強(qiáng)度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，但也面臨成本高、脆性大等挑戰(zhàn)。該研究通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)放大變形量，有效彌補(bǔ)了材料本身應(yīng)變有限的短板，為后續(xù)工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

對于中國可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈而言，這一成果提示我們應(yīng)關(guān)注底層能源技術(shù)的自主突破。目前，國內(nèi)在傳感器算法與整機(jī)集成方面已具備較強(qiáng)競爭力，但在高性能柔性電源、自供電系統(tǒng)等核心元器件上仍依賴進(jìn)口或處于跟隨階段。沈陽工業(yè)大學(xué)此次研發(fā)不僅驗(yàn)證了磁致伸縮技術(shù)在人體工學(xué)場景下的可行性，也為國內(nèi)高校和企業(yè)提供了從材料選型到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整參考范式。未來，若能進(jìn)一步降低鐵鎵合金成本并提升封裝工藝的柔韌性，此類自供電技術(shù)有望成為智能穿戴設(shè)備擺脫“續(xù)航焦慮”的重要突破口，推動(dòng)行業(yè)向更綠色、更持久的方向發(fā)展。