双稳态能量收集器可将低频宽带的振动能转化为电能，是将非线性系统应用于能量转换领域的一类重要器件。为提高双稳态能量收集器的输出功率，研究思路多集中于改变系统势能函数、特别是降低势垒高度上，尚未从其他能量角度研究双稳态能量收集器的功率特性，形成超越势能函数优化的器件设计思路与功率提升策略。

针对上述科学问题，我校信息工程学院控制工程硕士研究生卢诗愚在导师卜灵副教授的指导下，提出了包含动能和势能两个维度的总能量理论，进而提出了动量注入式器件设计新思路，获得了双稳态能量收集器功率提升的新策略。具体进展包括：

1.  提出了包含动能（E_k）和势能（E_p）两个维度的总能量理论，证明了这两个能量维度构成总能量（E_t）的三维正交相空间，而常规的势能函数优化研究仅对应于E_k=0的一个截面。总能量理论的价值在于，当E_p为恒定值时，新引入的E_k维度可以解释双稳态能量收集器的能轨跃迁与功率变化。因此，提高E_k成为优化E_p之外的功率提升新策略，并且由于吸引子的作用，提高E_k的功率提升效果更强于优化E_p。

2.  基于总能量理论，提出了动量注入式双稳态能量收集器的新器件设计。动量注入式器件通过降低势垒外恢复力的斜率来提高E_k，一方面突破了提高E_k必须施加速度扰动的局限，使器件在实地能量采集应用中更具可控性和实用性。另一方面，由于动量注入式器件和传统双稳态能量收集器具有相同的势垒，使两者的对比结果更具说服力。实验表明，与传统双稳态能量收集器相比，动量注入式器件的恢复力斜率仅相差8.82%，而均方根输出电压提高了47.75%，平均输出功率提高了118.43%。

图1 双稳态系统的总能量理论

图2 动量注入式双稳态能量收集器的器件设计与能量分析

图3 动量注入式与传统双稳态能量收集器的实验结果对比

这项研究为双稳态能量收集器的势能函数研究补充了动能维度，形成了较为完整的总能量分析方法，阐明了双稳态系统中动能具有与总能量水平和器件输出功率更强的相关性，为双稳态能量收集器的设计和优化引入了新策略。该成果发表于应用物理领域著名期刊《Applied Physics Letters》，该研究得到国家自然科学基金项目（62201528）资助：Shiyu Lu, Ling Bu*, Yuanbin Mao, Weijie Ruan, Honglei Guo, Jianlei Gao, Xiaohong Wang*. Total energy analysis: Impetus-injected bistable vibration energy harvester. Applied Physics Letters, 125, 253902 (2024).

全文链接：https://doi.org/10.1063/5.0234504