原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302699
摘要
随着物联网的快速发展，无线监测传感器、可穿戴电子设备等众多分布式广域低功耗电力电子器件被广泛应用于各个领域。由于微电子器件的分散性和易迁移性，其能量供应面临着严峻的挑战。目前，为分布式微电子器件供电的方式主要为集中式低熵能源供应和化学电池供电，这两种供能方式在便捷性和环保方面存在日益突出的问题。具有高熵特性的环境微能量收集技术被认为是为低功耗电子器件提供清洁能量的有效解决方案。本文详细阐述了基于能量采集和信号传感的微电子技术最新进展。首先，介绍了人类、动物和自然环境中微功率电子设备的发展应用情况。其次，对环境中可用的微能源进行了归类和分析。然后，对基于不同生电机制的环境微能源收集技术的原理和特点进行了归纳阐释。此外，本文全面总结了自供电微电子技术在11个不同领域中的应用。最后，对基于微能量收集技术的自供电微电子技术的研究挑战、技术难点和研究空白进行了讨论和总结。
Keywords关键词
Energy harvesting 能量采集
Environmental monitoring 环境监测
Microelectronic 微电子
Self-sensing technology 自传感技术
Wearable devices 可穿戴设备
Schematics 图表
图1 自供电微电子世界的架构
图2 可穿戴电子设备的类别
图3不同能量收集技术的特征比较
图4 人体下肢自供电可穿戴微电子技术应用
图5海洋领域自供电微电子技术应用
图6环境状态监测自供电微电子技术应用
结论
人工智能和物联网正在推动基于自供电技术的微电子器件的快速发展，深刻影响着世界的发展进程。本文全面回顾了自供电微电子领域的最新进展、挑战和未来发展方向。综述了人体可穿戴设备、动物可穿戴设备和环境监测传感器的总体研究进展。此外，本文还详细概述了可用于自供电微电子的环境微能源类别，以及能量收集技术的原理和特征。从应用角度出发，全面总结了自供电微电子技术在人体可穿戴设备(眼镜、助听器、口罩、背包、手表、腕带、手套、外骨骼系统、鞋袜)、动物可穿戴设备(陆地、飞行、水生)、环境监测传感(智能交通、智能海洋、智能家居、智能农业、智能工业、以及自然环境监测)。最后，针对自供电微电子器件的不足，提出了该领域的研究空白和未来的研究方向。
尽管自供电微电子器件的研究和应用取得了重大进展，但要实现更广泛的应用，仍面临重大挑战。如今，大多数自供电微电子都是作为单个节点运行，然而单节点在能量采集、信号感知、系统集成等方面存在很大的不足，难以应对未知挑战。不断提高人工智能辅助的多节点组网系统的性能可以满足当前时代的需求。此外，材料是器件的基础，先进材料的发展可以不断推动自供电传感系统的进步。
团队介绍
本研究由贵州大学、西南交通大学以及香港理工大学的研究人员共同完成。主要作者如下：
第一作者简介：
漆令飞，博士，特聘教授，贵州大学机械工程学院。围绕环境能量俘获技术、新能源再生技术在《Advanced Energy Materials》、《Mechanical Systems and Signal Processing》、《International Journal of Mechanical Science》等国际权威期刊上发表SCI学术论文40余篇，授权发明/实用新型专利30余项，主持贵州省自然科学基金项目、贵州省教育厅青年优秀人才项目、贵州大学引进人才项目、四川省科技厅支撑计划项目以及中车贵阳重载列车悬架俘能校企合作项目等科研课题。担任Energies期刊客座编辑，担任《APPLIED ENERGY》、《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》、《ENERGY》等国际知名期刊审稿人，担任ICAE、CUE、MIT A+B国际会议组织委员会成员。
共同通讯作者简介：
孔苓吉，西南交通大学研究生。主要研究方向为可穿戴自供电传感技术、微电子技术、人工智能物联网技术。目前已发表同行评议期刊论文20余篇。研究工作旨在收集人体能量，实现自我可持续的人类智能传感器网络。
张祖涛，西南交通大学教授，成都工业学院副校长，教育部霍英东教育教学奖获得者，全球前2%顶尖科学家（斯坦福大学榜单）和中国高贡献学者（校友会榜单）。研究方向为机械设计及EH技术，主持国家自然科学基金面上项目3项，以第一作者/通讯作者在《Advanced Energy Materials》等期刊发表论文150余篇，主持获2022年国家教学成果二等奖。
严晋跃（Jerry Yan），欧洲科学与艺术学院院士，香港工程科学院院士，香港理工大学讲座教授。瑞典皇家理工学院(KTH)博士，曾在Mälardalen大学和KTH担任讲座教授。研究领域包括可再生能源、先进能源系统、气候变化和环境政策。在《Science》, 《Nature Climate Change》, 《Nature Energy》等国际知名期刊上发表400余篇论文。指导博士后科研人员约200人，博士生50人。
图文：漆令飞
审核
一审：赵丽芳
二审：唐正强
三审：滕召华