随着物联网、智能感知和分布式监测系统的迅猛发展，对传感器供电方式提出了革命性要求。传统电池供电存在寿命有限、更换维护成本高、环境污染等问题，尤其是在复杂或恶劣环境中。在此背景下，传感器自取能技术成为研究热点。中国科学院李伟研究员及其团队在基于电压薄膜的传感器自取能技术领域取得了系列重要进展，为工程与技术研究和试验发展注入了新的动力。

一、 技术核心：电压薄膜与能量收集机制

李伟团队研究的核心在于利用先进的电压薄膜材料，将环境中广泛存在的微弱机械能（如振动、压力、形变）或热能直接转化为电能，为传感器提供持续、自主的能源。这类薄膜材料通常具备优异的压电、摩擦电或热释电特性。

• 压电薄膜：如锆钛酸铅（PZT）薄膜、聚偏氟乙烯（PVDF）及其复合材料，在外力作用下产生内部电荷分离，形成电压。团队通过微纳结构设计、材料复合与掺杂，显著提升了薄膜的机电转换效率和环境适应性。

• 摩擦电薄膜：利用两种不同材料接触分离时产生的电荷转移效应。团队致力于开发高电荷密度、耐磨损的薄膜材料及结构，使其在低频、小幅度的机械激励下也能高效发电。

• 热释电薄膜：针对温度波动环境，利用材料极化随温度变化的特性产生电压。团队在薄膜的温敏性能和热稳定性方面取得了突破。

这些电压薄膜被集成为微小的能量收集器（能量 harvester），能够附着或嵌入到设备、结构或环境中，持续捕获“废弃”能量。

二、 关键研究进展

李伟团队的研究进展主要体现在以下几个方面：

1. 材料创新与性能优化：通过溶液法、磁控溅射、3D打印等先进工艺，制备了高性能、柔性化、可大面积制备的电压薄膜。例如，开发了基于生物可降解材料的环保型压电薄膜，以及具有高韧性和可拉伸性的复合薄膜，拓宽了应用场景。
2. 器件结构与集成设计：设计了多种高效的微能量收集结构，如悬臂梁式、叠层式、网状结构等，以匹配不同频段和形式的环境激励。团队致力于将能量收集模块、电源管理电路（AC-DC转换、电压调节、储能）与传感单元进行微型化、一体化集成，形成完整的自供能传感节点。
3. 功率管理与系统效能提升：针对薄膜产生的电能通常具有间歇性、电压不规则的特点，团队研发了高效的低功耗电源管理芯片和电路，实现了能量的有效整流、存储（如利用微型超级电容器）和按需分配，确保了传感器在无光照、无振动的间歇期也能稳定工作。
4. 面向应用的系统验证：团队将研究成果应用于具体场景进行验证，例如：

• 工业监测：在旋转机械、桥梁、管道等设备结构上部署自取能振动传感器，实现状态实时监测与故障预警，无需布线换电。

• 智能交通：将薄膜嵌入道路或轮胎，收集车辆通行时的压力能，为交通流量、载重监测传感器供电。

• 生物医疗：开发柔性自取能贴片，利用人体呼吸、脉搏等微动或体温差为生命体征监测传感器供电。

• 环境监测：在偏远地区利用微风、温差等自然能源，为温湿度、空气质量传感器网络供电。

三、 对工程和技术研究与试验发展的意义与展望

李伟团队的工作对“工程和技术研究和试验发展”领域具有深远影响：

• 推动自主创新：突破了传感器能源供给的关键瓶颈，促进了我国在高端传感与微能源领域的自主技术发展。
• 赋能新型系统：使得构建大规模、长寿命、免维护的无线传感网络成为可能，为工业互联网、智慧城市、智能基础设施、环境感知等重大工程提供了底层技术支撑。
• 促进交叉融合：该研究深度整合了材料科学、微电子、机械工程、电路与系统等多个学科，是典型的交叉学科创新范例，推动了相关试验方法和研发模式的进步。
• 绿色可持续发展：通过收集环境中的废弃能量，减少了电池使用和电子废弃物，符合绿色低碳的发展理念。

基于电压薄膜的传感器自取能技术仍面临输出功率有待进一步提高、环境适应性需进一步增强、成本需进一步降低等挑战。李伟团队表示，未来的研究将聚焦于开发更高性能的多功能复合薄膜、探索新型能量转换机制（如混合模式）、深化与人工智能结合实现智能能量管理，并推动技术在更广阔工程场景中的规模化示范应用。随着这些技术的不断成熟，真正实现“万物互联、万物自供能”的愿景将越来越近。