2026年7月3日至6日，第七届振动与能量俘获及其应用国际会议（The 7th International Conference on Vibration and Energy Harvesting Applications, VEH 2026）在广州举办。作为振动与能量俘获领域具有重要影响力的国际学术交流平台，本次会议汇聚了全球相关领域专家学者，共同探讨振动能量采集技术的发展与应用。
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陶凯教授课题组博士生毛新辉携论文《A frequency-up-conversion electromagnetic energy harvester for long-term infrastructure anomaly monitoring》参会并作学术报告，凭借该研究荣获大会最佳论文奖（Best Paper Award）及优秀口头报告奖（Excellent Oral Presentation Award）。（图1-图2）
图1 VEH 2026 最佳论文奖及颁奖留念
图2 VEH 2026优秀口头报告奖及现场汇报
在智慧城市中，井盖、桥梁、地下管网等分布式节点，就像城市的“神经末梢”，持续感知环境变化并上传数据。但一个长期存在的现实问题是：这些节点往往分布广、维护难，依赖电池供电不仅更换频繁，也抬高了运维成本。
该研究中，91无码
陶凯教授的研究团队提出一种面向智能井盖状态监测的自供能方案：利用车辆经过时产生的低频振动和脉冲冲击，让井盖“自己发电”，再为监测系统供能。核心电磁俘能模块尺寸仅为Φ7 cm×3 cm，实现了41.6 mW/cm³ 的峰值功率密度和1.04 W的平均功率；在1 Hz激励下，可在230秒内为15 mAh电池补能30%，并支撑约1小时连续无线感知运行，同时完成了60天实地部署验证。
那么，这套能让井盖“自己发电”的系统，到底是怎么设计出来的？要回答这个问题，先看整套系统的总体设计。研究团队并不是只做了一个单独的发电器件，而是从“道路振动如何收集”、“电能如何产生”、“监测系统如何被驱动”三个层面，构建出了一套完整的自供能智能井盖方案（图3）。
图3 自供能智能井盖系统整体设计示意图
这项研究的关键突破，在于设计了一套“斜齿离合升频机构与飞轮储能”的协同系统。其核心原理，并非将井盖受压产生的一次性振动直接转换为短暂的电脉冲，而是先通过斜齿离合机构，将低频、离散的垂直冲击转化为持续的旋转运动，再利用电磁感应，稳定地输出电能。这一设计能够把原本“不好利用”的低频机械能，转化为更适合发电的高频旋转能量。
实验数据充分体现了这套装置“小而强”的特点。在单次脉冲激励下，器件开路输出可持续67秒；随着多次激励，输出电压最高达到30V，可将最低0.017Hz的脉冲输入并转化为最高174Hz的交流电输出，频率提升倍率超过10000倍。这意味着，城市道路中原本低效、分散的机械能，被显著提升了利用效率。本装置的独特之处在于其展现了一种新颖的机电行为特性：在持续的外部激励下，其内部飞轮转速与输出电压能够实现“连续累积与阶跃式提升”。这意味着，在更为频繁或强烈的外界扰动环境中，装置不仅能够稳定响应，其能量捕获效率也会随之显著增强，展现出优异的环境自适应性与倍增的发电效能。换言之，其性能会随着环境激励的增强而不断提升，潜力巨大。
图4 智能井盖原型制造、道路测试及模拟城市交通条件下的性能
更重要的是，课题组并没有停留在器件层面，而是将6个俘能模块集成为六边形“能量核心”(Energy Core)，嵌入井盖内部，构建出自供能井盖异常监测系统（图4）。该系统能够实时监测井盖三轴加速度，并识别正常、撞击、倾斜位移以及被撬开等多种状态。在约250kPa的压强下（车辆驶过井盖的瞬时激励），系统在单车通过时可输出峰值10V、持续约2秒的信号；在正常车流量和交通高峰期条件下，其输出仍然遵循“连续累积与阶跃式提升”的机械与电学特性，输出电压进一步提升到11.67 V 和17.73 V，表现出对真实道路环境的良好适应性。
为确保采集到的电能可被有效利用，团队还配套开发了完整的能量管理电路。实验显示，在1 Hz激励下，系统可在230秒内将15 mAh锂电池充电30%；电池单独供电时，可支持无线监测模块持续工作约57分钟。值得注意的是，在1Hz激励过程中，无线监测模块已经开始正常工作，累计工作时间长达1小时。这说明，它已经不是“能发电”的概念样机，而是一套能够支持真实监测任务的自供能系统。
对于基础设施技术来说，最重要的不是实验室里“能不能亮”，而是真实环境中“能不能长期跑”。进一步，团队完成了长达60天的现场部署验证。期间，系统每12小时向上位机回传一次加速度数据，持续完成井盖状态监测，验证了其长期可靠性和工程可行性（图5）。
图5 自供能井盖异常监测系统（MC-AMS）的系统集成、功能验证及长期现场部署
从井盖出发，但不止于井盖。这种“环境取能——自供能监测”的模式，未来还可扩展到桥梁、铁路等更多基础设施场景，为城市中大量低功耗、难维护、难布线的分布式节点提供新的供能思路。
让井盖自己发电，虽是一个微小的技术切口，却指向了智慧城市更底层的能力变革：推动分布式基础设施从“依赖供电”迈向“能源自治”，从“被动运维”转向“长期自持”。
上述成果以题名“A frequency-up-conversion electromagnetic energy harvester for long-term infrastructure anomaly monitoring”发表在机械工程领域国际权威期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（影响因子11.4），在机械工程学科长期稳居全球第一梯队，代表着机械科学基础研究与工程应用的国际领先水平。91无码
陶凯教授为本文的通讯作者，团队博士生毛新辉与硕士生张晨涛、张继元为本文的共同第一作者，课题组硕士生王志恒、本科毕业生章宇扬、曹冯在论文研究和实物样机制备方面做出了贡献（图6）。
图6 论文信息
论文信息：
Mao X, Zhang C, Zhang J, et al. A frequency-up-conversion electromagnetic energy harvester for long-term infrastructure anomaly monitoring[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2026: 111501.
文章链接：
//doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111501
图文：毛新辉
