石墨烯取能器：让无电池传感器借电线辐射运行

美国两所大学的研究者用石墨烯电感从附近电线周围的交变磁场取能，驱动纳米瓦级无电池温度传感器，并讨论了应用和限制。

不用雷神之锤，也能从环境中收集电能——但前提是附近有带电电线。阿肯色大学和密歇根大学的研究者开发了一种石墨烯能量收集器，可从附近电气线路产生的环境辐射中获取电力。

他们用这套取能方案搭建了一个无电池温度传感系统，包括石墨烯能量收集器、电源转换电路、储能电容和超低功耗温度传感器。整个系统无线运行，依靠电磁感应为传感器供电。

研究团队成员，从左至右：Syed Maksudur Rahman、Tamzeed Bani Amin、Paul Thibado、Ashaduzzaman、MD Rezaul Kabir 和 Jim Mangum。

电线周围的磁场如何变成电

电流通过导线时会在周围产生磁场。交流电的电流方向与大小不断变化，磁场也随之变化。在美国，这一变化频率为 60 Hz，即每秒 60 个周期。变化的磁场携带能量。

研究者用石墨烯制作电感，并加入钢芯以增强捕获磁场的能力。把它放在电源线附近时，变化的磁场穿过电感，在两端感应出很小的交流电压。这与变压器和发电机背后的电磁感应原理相同。

感应出来的信号不能直接给电子元件供电：它是交流电，而传感器需要直流电；电压也过低，无法稳定驱动负载。为此，团队设计了基于 Cockcroft-Walton 倍压器的电源转换电路，把交流信号整流为直流，并逐步升压到适合传感器电子元件的水平。

系统没有使用传统可充电电池，而是用三个电容储存收集到的电能。电容逐渐积累电荷。研究者称，能量收集器补充电荷的速度快于温度传感器消耗电荷的速度。

即使经过升压，收集到的能量仍不足以驱动普通电子设备。团队转而设计了一种工作在纳米瓦级的定制温度传感系统，耗电仅为十亿分之一瓦量级。作为参照，它的功耗理论上比单个 AirPod 低约 3000 万倍。

石墨烯电感收集能量的速度不算快，但研究者表示，它补充电容的速度仍快于传感器消耗的速度，因此只要附近有足够的电磁能量，系统就能持续运行。电容还能储存多余能量，即使附近供电中断，传感器也能继续工作。研究者估计，储存的电荷至少能支撑 24 小时，甚至可能达到一周。

石墨烯能量收集器发明者 Paul Thibado 教授说，电感向电容补充电荷的速度较慢，但快于传感器消耗电容电荷的速度；即使停电，系统仍可从电容取电，按他们的设置，轻松持续 24 小时，甚至可能一周。

一个典型应用是拥有数千个温度传感器的大型工业设施，用于监测机械、管道和整体环境。这类传感器通常需要有线供电，增加布线复杂度，或者使用最终需要更换的电池。采用这套装置后，大量传感器可以不用一根电线，也无需充电。

但这项演示也有前提和限制。首先，能量收集器需要电线附近有足够强的变化磁场，并不能在任何地方发电。其次，研究者尚未证明系统能从完全放电状态自行启动；实验开始前，电容已被充电，处理器也已编程。最后，纳米瓦级输出几乎只能驱动专用传感器，别指望手机很快就能靠空气自充电。

目前团队以温度传感器作为概念验证，并设想把系统用于多种低功耗传感器场景，例如产品追踪、大气监测、物流车队管理、土壤与可穿戴健身监测、医疗追踪等。他们还在研究从声能、非线性、太阳能、热能、动能和环境辐射等来源收集电能，目标是构建可从环境中多种能源取电的自主传感器系统。