无电池无插头！微型传感器可实现自供电

科学家研发出一款微型温度传感器，可从电线周边的磁场中采集能量。电线会产生微弱的电磁场，这类磁场平时很难被察觉。研究人员找到了一种方法，可以将其中一部分能量转化为微型电子器件的电源。阿肯色大学（U of A）与密歇根大学的科研团队开发出一款基于石墨烯的能量采集器，能够为一款超低功耗温度传感器供电，无需传统电池。

这款原型设备依靠周边环境采集的能量工作，功耗仅为纳瓦级，也就是十亿分之一瓦。该团队的目标是研发可无人值守、连续工作数十年的自主传感器，本次成果是朝着这个目标迈出的又一步。

把电线变成电源

这项技术从交流电线产生的磁场中采集能量。美国市电频率通常为60赫兹，也就是电流每秒变换60次方向。研究人员专门设计传感器，用来采集这类低频磁场里的能量。

石墨烯电感器收集能量，输出交流电信号至定制电路，电路再将交流电转换为直流电。这些电能给电容充电，为传感器储备电能。电容和电池不同，它依靠电场储能，而非化学反应。

阿肯色大学物理学教授Paul Thibado解释：“电感器会缓慢给电容充电，但充电速度比传感器消耗电容电量的速度更快。”

由于传感器耗电速度慢于系统补能速度，电容可以维持电量储备。Thibado估算，断电情况下，储存的电量至少可以维持设备运行24小时，最长可达一周。

打造自供电传感器

这款新器件是该团队研发的第二款石墨烯供电温度传感器。团队此前已经验证，石墨烯太阳能电池可以为温度传感器供电，为自主电子设备提供另一种能源方案。

石墨烯由单层碳原子构成，其电学特性非常适合用于能量采集技术。Thibado已经对这些特性开展十余年研究，本研究中用到的石墨烯能量采集器就是由他发明的。

研究人员最终希望融合多种环境能量采集方式，包括光能、热能、声能、动能以及环境电磁场。搭载多套采集模块的传感器，在某一种能源失效时还能继续工作，降低对单一电源的依赖。

不止测温一种用途

测温只是该技术的一个验证场景，未来它还可以用于农业、环境监测、医疗追踪、可穿戴设备以及供应链管理领域的传感器。这些场景里，很多设备所处位置更换电池成本高、不方便，甚至不具备换电池条件。

Thibado把长期愿景概括为 “装好之后无需打理”：传感器可以长期工作，不用频繁更换电池。取消一次性电池，还能降低维护工作量、减少电子废弃物；不过，设备能否稳定运行数十年目前还未得到验证。

该研究成果发表在《Journal of Vacuum Science and Technology B》期刊上。论文第一作者是阿肯色大学材料科学与工程专业博士生MD Rezaul Kabir。密歇根大学的研究人员也参与了本项目，其中电机工程与计算机科学教授David Blaauw，主要研究低功耗无线传感器与嵌入式系统。

商业化进展与未来方向

纳米技术企业NTS Innovations拥有这项石墨烯能量采集技术的独家商业化授权。该公司协助推进专利布局、商业规划，同时对接潜在客户与合作方。

目前已有超过60家机构表达测试意向，希望探索将这项技术集成到产品中的方案。正在进行的沟通，也在帮助明确各类应用场景的实际需求，包括不同应用所需的最低供电功率。

研究团队设想搭建自供电传感器网络，能够长年采集数据，几乎不需要人工干预。将石墨烯能量采集技术与超低功耗电子器件结合，有望实现这一构想；随着智能家居、工业设备、环境监测等联网设备越来越普及，这项技术的价值会进一步凸显。