近日，机械与电子工程学院渔业智能化生产团队联合中国农业大学国家数字渔业创新中心在《Chemical Engineering Journal》在线发表题为“Triboelectric–electromagnetic hybrid generator for high-frequency rotational energy harvesting and self-powered sensing toward in situ monitoring of agricultural machinery operation”的最新研究成果。开云·体育（Kaiyun Sports）官方网站机电学院张宏建副教授为第一作者，硕士研究生李云博为学生第一作者，开云·体育（Kaiyun Sports）官方网站机电学院孙林林副教授、中国农业大学信电学院王聪副教授和北京纳米能源与系统研究所唐伟研究员为论文共同通讯作者，开云·体育（Kaiyun Sports）官方网站为第一通讯单位。
随着智慧农业和农业物联网快速发展，农业机械作业状态的长期在线监测对分布式传感节点持续、稳定供能提出了更高要求。传统监测节点多依赖电池或机载电源，存在布线复杂、维护频繁等问题，而动力输出轴、传动轴等高频旋转部件在作业过程中持续蕴含可回收的机械能。如何有效回收旋转机械能，并将其转化为支撑状态感知与无线传输的稳定能源，是实现农业装备长期、低维护在线监测亟需解决的问题。面向这一需求，研究团队基于摩擦纳米发电机（TENG）原理提出了集旋转能量采集、状态感知与无线传输于一体的自供能监测方案。
首先，针对高频旋转条件下TENG易发生电极间静电击穿、单一能量转换方式难以兼顾高效供能与状态感知等问题，团队在TENG相邻电极间引入聚酰亚胺（PI）绝缘隔离结构，有效抑制静电放电；其次，将TENG与电磁发电机（EMG）集成为摩擦电—电磁混合发电装置，并设计双路径能量管理电路，实现两类发电单元的互补能量利用。最后，集成低功耗微控制器、惯性测量单元和LoRa无线通信模块，利用TENG周期脉冲信号进行转速感知，并同步获取机械振动等运行状态信息，实现了旋转能量采集、供电、状态感知与无线传输的一体化。
研究结果表明，PI绝缘隔离结构能够有效提升TENG在高频旋转条件下的运行稳定性，摩擦电与电磁输出经双路径管理后可实现优势互补。农业机械现场试验进一步验证了系统在振动、负载波动及复杂电磁环境下能够持续完成能量采集、状态感知和无线数据传输的可行性，形成了从“机械能回收”到“自供能监测”的完整功能闭环。该研究将农业机械自身持续存在的旋转机械能转化为分布式传感节点的工作能源，有望减少对外部供电和电池的依赖，降低布线及维护需求，为农机工作状态原位、自供能监测和低维护物联网节点设计提供新的技术路径。
图1 AM-TEHG 的应用场景、工作原理及输出性能
图2 摩擦纳米发电机的设计与性能表征
图3 TENG–EMG 功率管理电路的优化与综合性能表征
图4 AM-TEHG 的田间应用与传感性能评估
该研究获得了山东省自然科学基金及山东省青年科技人才托举工程的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726093496
编 辑：万 千
审 核：贾 波
