“嗡嗡”电池？大米粒大小的科技背包将蜜蜂变成发电机

利用自然启发的设计，在更有效地为昆虫半机械人提供动力方面取得了重大进展。

一组科学家取得了一个小小的突破，他们发明了一种超轻型压电能量收集器（PEH），这种收集器可以利用蜜蜂胸腔振动的嗡嗡声来发电，而不会折断蜜蜂的翅膀。

来自北京理工大学的研究人员和他们在中国中山大学的同事们设计了这个装置，以匹配蜜蜂的自然胸腔振动，使其能够在不干扰它们飞行的情况下有效地收集能量。

这种收集器由柔性PVDF薄膜制成，重量仅为46毫克，比一粒米还轻，在让蜜蜂盘旋、翻转和飞行的同时，产生了令人印象深刻的能量输出，就像什么都没有改变一样。

通过精确调整设备以匹配蜜蜂的胸部振动频率并优化其重心，研究人员实现了5.66伏的显著能量输出和每立方厘米1.27毫瓦的功率密度。

一个来自蜜蜂的微小能量收集器

虽然生物工程的最新进展使科学更接近于有效地收集昆虫半机械人的能量，但制造不干扰飞行的轻型设备仍然是一个挑战。

为了解决这个问题，同时引入微型生物能量收集系统的新设计范例，研究小组将收割机的谐振频率与蜜蜂的胸部振动对齐，并优化了其重心。有了这个，他们在不破坏昆虫稳定性的情况下实现了有效的能量转换。

“通过将频率间隔匹配与重心优化相结合，我们系统地将收割机的谐振频率与蜜蜂的胸部振动对齐，在不影响飞行稳定性的情况下实现高效的能量转换，”北京理工大学教授、该研究的通讯作者赵杰良博士透露。

由此产生的压电能量收集器（PEH）集成了柔性的低质量PVDF薄膜，双晶设计以提高电压输出，并精确调节蜜蜂的自然振动频率210-220赫兹。来自中山大学的合著者吴佳宁表示，该设计消除了对笨重电池的需求，大大延长了昆虫仿生人的功能寿命。

奔向明天

研究人员通过激光切割铜基底，并使用导电粘合剂将其与柔性PVDF薄膜粘合，设计了压电能量收集器（PEH）。然后，他们使用3D打印模具将设备塑造成最终的超轻形状，重量仅为46毫克。

使用Comsol进行多物理场模拟，他们验证了设计，准确地预测了与实验结果相匹配的位移和电压输出。

北京理工大学教授、该研究的主要作者王文忠博士解释说：“高速CMOS相机提供了对机翼扑动动力学的关键见解，使我们能够在不同负载条件下优化收割机的共振频率。”

赵杰良博士说，即使有PEH，蜜蜂也能保持正常的飞行行为，在两秒钟内迅速从翻转中恢复过来，并轻松悬停，从而显示出最小的生物力学破坏。然而，尽管收集器在能量密度和生物相容性方面表现出强大的性能，但在能量存储和可扩展性方面的挑战仍然需要解决。

研究人员总结说：“未来的工作将集中在集成能源管理电路，并将这种方法扩展到其他飞行昆虫，如蜻蜓和蝴蝶，为生物杂交系统建立标准化的能源解决方案。”

该团队认为，该创新设备为自我维持的昆虫半机械人打开了大门，可用于环境监测和救援任务，通过依赖物理驱动的优化而不是资源密集型的试验和错误来简化开发。

这项研究发表在《生化系统》杂志上。

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