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北大张海霞和韩梦迪合作AM论文┃可编程控制的三维全向磁控软结构

已有 1138 次阅读 2021-8-17 07:34 |个人分类:科研工作|系统分类:论文交流

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功能材料的出现为电子、机器人和能源设备等领域提供了巨大的发展潜力。其中,磁性材料同时具有传感与驱动能力,受到了科研界与产业界的广泛关注。然而,对于具有多模态运动模式的功能器件,往往需要依赖于区域磁化的永磁材料,存在操控难度大、应用场景受限、功能单一等问题。


近日,北京大学信息科学技术学院张海霞教授与未来技术学院韩梦迪助理教授联合提出了一种基于临时磁化的磁性材料,通过力学引导的三维自组装形式,得到了多种用于高效能量采集的三维磁控软结构,实现可编程、多模态的运动模式与可控形变,相关工作以题为“Three-dimensional temporary-magnetized soft robotic structures for enhanced energy harvesting”,发表在国际材料学顶尖期刊Advanced Materials (IF=30.849),北京大学博士研究生缪立明与加州理工学院博士后研究员宋宇博士为论文共同第一作者。


研究人员采用可控力学屈曲的方法,将激光图案化的二维磁性薄膜转化为复杂三维结构,这种三维软结构在磁场的精确控制下可以表现出可控的锚定于柔性衬底之上的形变,包括局部变形、单方向倾斜和全方向旋转。进一步,将这类三维磁控软结构与其他功能材料或器件集成(如PVDF压电薄膜、有机太阳能电池等),可以实现高效的能量采集,包括用于非接触式机械能采集和主动式运动传感的三维压电装置,以及通过连续和精确旋转控制的三维磁控太阳能追踪系统。此外,这类基于临时磁化材料的三维设计策略与结构不仅在增强能量采集方面具有独特优势,更可以通过进一步封装,在多模态传感、人机界面以及生物医学工程等领域展现广阔应用前景。


前沿科技成果


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图1. 基于临时磁化材料的磁控三维软结构


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图2. 三维磁控压电结构用于低频能量采集和主动式运动传感


通过有限元仿真与实验分析,科研人员具体研究了在磁铁运动过程中,三维条带压电结构的可控形变过程与输出性能,并通过三维蛇形压电结构优化,进一步提升能量采集能力,采用非接触式工作模式,有效增强其长期工作的机械鲁棒性。此外,这种三维蛇形压电结构还可以与自行车相结合,实现了运动速度与运动模态的主动式传感监测。


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图3. 基于磁控三维结构的太阳能追踪系统


除了增强压电能量采集能力,研究人员进一步将三维桌子结构与平面式太阳能电池相集成,实现单方向倾斜与全方向旋转的精确控制,搭建基于三维软结构的太阳能追踪系统。在实验室模拟太阳光实验中,通过后端的自动反馈机制,实时调整三维结构的倾斜角度,提升系统的输出电压与光电转换效率,在24小时的模拟太阳光谱过程中,极大地提升了系统的实时输出功率与能量采集能力。



作者简介


[第一作者] 缪立明,北京大学信息科学技术学院博士研究生;宋宇,北京大学信息科学技术学院2020届博士、美国加州理工学院医学工程系博士后研究员。


[通讯作者] 张海霞,北京大学信息科学技术学院教授;韩梦迪,北京大学未来技术学院研究员。


课题组网站:

www.alicewonderlab.com ; www.hmd-lab.com


论文题目:

Three-dimensional temporary-magnetized soft robotic structures for enhanced energy harvesting.


论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102691


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