引言物联网以及5G技术快速发展，无线传感器技术在实际应用中得到了大范围普及[1]。无线传感器数量增加，供电不足问题凸显。目前传感器主要供电形式为电池供电，传统电池供电形式有容量低、使用寿命短和废旧电池污染环境等缺点，频繁更换电池消耗大量人力和物力，限制了无线传感器技术的发展[2]。从传感器所处的环境中进行能量回收，将回收的能量提供给传感器，能够实现传感器的自供电，相较于提升电池容量对节约能源、保护环境和促进无线传感器网络的建设有重要意义。传感器分布密集的场所具有较大的人流量，人体行走能够产生大量动能。一个人平均每天的能量消耗可达1.07×107 J，人体运动的机械效率仅为15%~30%[3]，人体运动的大部分能量均以热能形式散失，如何有效回收利用散失的能量已成为国内外学者关注的研究热点。发电地砖是一种新型的人体能量回收装置，基本思想是将人体行走时产生的多余动能进行俘获转化为电能，为周围的小型用电设备进行供电。1发电地砖的分类及研究进展按照发电地砖能量转化原理的不同，可将现有的发电地砖分为压电式、电磁感应式以及液压式。1.1压电式发电地砖压电式发电地砖的特点在于其能量转化装置采用了压电材料(PZT)。压电材料是一种表面受到应力作用产生一定形变时，其上下相对表面会产生电压差的特殊材料，因此只需要将其产生电压差的表面连入电路中即可实现动能向电能的转化。常见的压电材料工作模式有2种，即d33和d31。d33模式的特点在于其产生的电压方向与受到的应力方向相同，常见的d33压电材料布置形式为压电叠堆等；d31模式的压电材料产生的电压方向与其所受应力方向处于垂直关系，d31模式下常见的压电材料布置形式为压电悬臂梁等[4]。压电叠堆和压电悬臂梁的结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.021.F001图1压电材料工作原理Hwang[5]等设计了一种能够将人体行走时对地面产生的冲击转化为压电悬臂梁振动的发电地砖，该研究将压电悬臂梁布置于地砖的上顶板和下底板之间，与起支撑作用的弹簧连接，地砖上顶板受到行人踩踏而向下移动压缩弹簧时，弹簧便能带动与其连接的压电梁振动，使压电材料产生形变对外输出电能。该装置的一大优点在于将人体行走时的踩踏力通过弹性元件转化为悬臂梁的振动，避免了由于应力过大而出现压电材料损坏的现象。研究表明该地砖在22.5 Hz的外界激励下可输出770 μW的平均功率和55 mW的最大功率。尽管该研究对地砖的机械谐振频率（22.5 Hz）进行了匹配，但由于人体正常行走的频率一般在3 Hz左右[6]，因此该发电地砖的平均输出功率仍然较低。为解决行走频率与压电悬臂梁固有频率不相匹配的问题，Panthongsy[7]等设计了一种具有频率提升功能的发电地砖，该发电地砖通过位于悬臂梁末端的磁铁磁力对压电悬臂梁自身进行激励，将传统的线性压电悬臂梁机构转化为非线性系统，悬臂梁受到的激励为非线性的磁铁吸引力，其受到激励后的振动频率得到了明显提升。该研究还通过有限元分析等方法确定了磁铁与位于上顶板的铁块间的最优距离，以实现当上顶板带动铁块向下移动而靠近磁铁时所产生的磁力最优化。试验表明，单个压电悬臂梁单元在最优布置条件下输出的平均功率为0.075 mW，最大输出电压为27.1 V，完整单个地砖（含24个压电悬臂梁单元）输出的最大平均功率为1.2 mW。在原有研究的基础上，Panthongsy[8]等又提出了一种基于机械振动激励的频率放大机构，该机构将压电悬臂梁与地砖上顶板固定连接，上顶板受到踩踏作用时会将激励传导给悬臂梁，使其快速振动。该研究将该发电地砖与文献[7]中的发电地砖进行对比，结果表明，基于机械振动激励的发电地砖在输出功率和能量俘获方面均优于基于磁力激励的发电地砖，主要由于前者在上顶板下移和回升的过程中压电悬臂梁均能受到激励，因此单次踩踏作用下机械振动激励的发电地砖输出的能量更多。为进一步提升压电悬臂梁式发电地砖的能量密度，Zhong[9]等提出了一种具有多层压电梁结构的发电地砖，该结构将多个压电悬臂梁的活动端与螺栓螺纹连接，螺栓头部则与地砖上顶板固定，上顶板受到踩踏向下移动时，会带动螺栓对多个悬臂梁进行挤压，实现多层压电悬臂梁同时对外发电。该研究通过傅立叶变换得到系统的频率响应特性，确定该压电结构谐振频率为1.263 Hz，与人体步行频率较为接近。最后，通过试验测量可得，在1.243 Hz以及2 mm行程的激励下，单个多层压电悬臂梁单元的输出功率为497.9 μW，一个完整发电地砖的输出功率可达14.931 mW。为了充分利用人行走时产生的踩踏力，He[10]等利用多连杆机构将地砖顶板受到的压力转变为平行于顶板的横向拉力，将该拉力作用在压电梁上。优点在于能够对人体的踩踏压力进行放大，同时作用于多个压电梁上，研究结果表明该发电地砖中的单个压电梁在1.41 Hz、5 mm行程激励下，输出的最大功率为91.18 μW，单个发电地砖的输出功率可达5.368 mW。相比于悬臂梁式的压电结构，压电叠堆在实际应用过程中的位移变化并不明显，因此对于压电叠堆式的发电地砖，压电叠堆受到的应力大小对输出功率的影响往往比激励频率的影响更大。为了使发电地砖中的压电叠堆能够尽量受到较大的应力以提升发电效率，Wen[11]等提出了一种基于桥式机构的双阶段增力装置，由2个相互垂直的桥式增力机构组成，位于外部的桥式机构受到上顶板传来的压力时，其将所受压力放大并作用于内部的桥式机构，内部桥式机构会对所受压力再次进行放大，最终作用于位于装置中心的压电叠堆。Wen[12]等又提出了一种基于楔形机构、连杆机构、半桥机构以及全桥机构的四级多阶段增力装置，经试验测试，该装置的受力放大倍数可达17.9。安装该增力机构后，发电地砖的最大输出功率可达10.5 mW。该装置的不足在于外部的桥式机构只能对垂直于顶板向下的压力进行放大，但人体正常行走时除了对地面有向下的压力，还存在平行于地面的摩擦力，因此该发电地砖对于行走时摩擦力产生的动能无法进行回收，限制了能量回收效率。针对该问题，文献[13]在文献[12]的基础上引入了磁力装置，且上顶板不再与增力装置直接接触，而是通过2块相对的永磁体进行受力传递。人行走在该发电地砖上时，无论是向下的踩踏力还是向后的摩擦力都会引起装置内部永磁体之间的相互移动，改变永磁体之间的磁力，产生相对压力，进一步由增力装置进行放大并最终作用于压电叠堆以产生电能。受到永磁体尺寸等因素的影响，由磁力变化产生的相对压力较小，因此该发电地砖的输出功率较低，水平方向输出的平均功率为0.27 μW，垂直方向输出的平均功率为2.66 μW。除了较为常见的压电悬臂梁与压电叠堆等结构外，Kathpalia[14]等设计了一种曲面形式的压电单元，该压电单元相比于悬臂梁和叠堆等形式的压电单元具有结构简单、易于布置等优点。该研究还将压电单元与高性能混凝土框架结合，形成一种高集成化的发电地砖，使其在室内和室外均可使用。1.2电磁感应式发电地砖压电式发电地砖的有效输出功率很大程度上受限于压电材料的性能与尺寸等因素，输出的功率往往在毫瓦级，无法为功率较大的用电设备供电。相比之下，电磁感应式发电地砖的输出功率可达数瓦，适用性更广阔。现有研究的电磁感应式发电地砖可分为2类：电机式和磁致伸缩式。电机式发电地砖指利用某些机械传动装置将地砖上顶板受到踩踏而向下移动时的位移转变为电机主轴的旋转，带动电机对外发电；磁致伸缩式发电地砖是一种基于磁致伸缩现象的新型发电地砖，磁致伸缩现象指某些特殊材料在磁场中受到磁化时，自身会产生一定的形状变化，在发电地砖的实际应用中，是利用该现象的逆向效应，即将人体行走的踩踏力传递给磁致伸缩材料（压磁材料）使其产生相应形变，该形变引起的磁场变化会对周围感应线圈进行磁感线切割，最后由感应线圈对外输出电能，该效应也被称为维拉里效应[15]。磁致伸缩式的发电地砖产生的能量密度取决于磁致伸缩材料产生的磁感应强度。为进一步提升地砖的能量密度和效率，Yan[15]等在传统磁致伸缩发电结构的基础上引入外加磁场，该磁场由围绕在压磁材料周围的永磁体产生，有应力作用在压磁材料上时，部分应力会通过增力机构传递给周围的永磁体并将其向外推动，这时永磁体移动产生的磁场变化与外界应力同时作用于压磁材料，使压磁材料产生的磁感应强度显著提升。研究表明，在人体正常行走的应力作用下（6.2~12.5 MPa），该磁致伸缩结构所能产生的压磁效应可达0.022 T/MPa。Tan[16]等为解决人体步行产生的激励频率较低的问题，设计了一种基于多叶凸轮结构的频率提升装置，该装置能够通过齿轮齿条机构将人行走的激励转化为凸轮的旋转运动，该凸轮含有4个顶点，每个顶点均能对压磁悬臂梁进行一次激励，使凸轮转动半圈，对压磁悬臂梁进行了2次激励，实现了激励频率的提升。试验表明，该发电地砖在1~3 Hz的输入激励作用下可输出4.8~31.3 mW的功率，对于200 Ω的外加电阻可产生1.96~5.00 V的负载电压。对于电机式的发电地砖，Ang[17]等设计了一种基于齿轮齿条的简易发电地砖，该发电地砖通过齿轮齿条结构和两级增速齿轮将地砖上顶板的移动转变为电机的转动，根据行人的体重不同（15~59 kg），该地砖所能产生的功率为0.06~0.29 W。Mondal[18]等提出了一种电机与压电材料混合发电的新型地砖，该设计将电机放置地砖的上顶板与下底板之间，将压电材料布置于上顶板中以进一步提升地砖的能量回收效率。Lowattanamart[19]等、Jintanawan[20]等根据机械传动形式的不同，分别设计了基于齿轮齿条式的发电地砖和基于滚珠丝杠式的发电地砖，2种地砖均能将顶板的直线移动转变为电机的转动。滚珠丝杠式的发电地砖在平均输出功率和能量回收效率均优于齿轮齿条式发电地砖，主要是滚珠丝杠机构的摩擦损失更小以及有效传动行程更长导致的。经设计优化后，滚珠丝杠式发电地砖所能输出的平均功率可达520 mW，一步踩踏所能回收的平均能量为702 mJ。Liu[21]等设计了具有机械整流功能的发电地砖，利用齿轮齿条机构和单向轴承的单向啮合特性，将地砖上顶板的上下往复直线运动转变为电机轴的单向转动，通过引入具有储能功能的惯性飞轮[22]提高了发电地砖的能量转化效率。采用机械整流的优点可以有效减缓传动部件在传动方向改变时受到的机械冲击，延长相关零部件的使用寿命。电机始终向同一方向转动，输出的电流即为直流电流，避免了外加整流电路带来的能量损失，提升了地砖的能量回收效率[23]。研究结果表明，该发电地砖平均输出功率为3.2 W，最大输出功率可达12 W，一步行走踩踏可回收能量为1.8 J，能量回收效率可达50%。1.3液压式发电地砖相比于上述2种发电地砖，液压式发电地砖是一种较为新颖的发电地砖，主要特点是采用液体作为运动传递介质，将地砖顶板向下的移动转变为地砖内部液体的流动，由流体带动水力发电机对外发电。Chand[24]等提出了一种双地砖结构的液压式发电地砖，该发电地砖单元由2个相邻地砖组成，且2个地砖下均设置有体积可变的水袋，水袋之间由小型水力发电机和单向阀连接。人行走在第一块地砖上时，地砖下方的水袋受到挤压，其中的液体由第一块地砖流向第二块地砖，带动中间的水力发电机旋转发电，人继续行走离开第一地砖而踩踏第二地砖时，第二地砖下方中水袋又会以同样的方式流回第一地砖水袋中，再次驱动电机发电，完成一次完整的发电周期，单向阀起保护作用以防止液体倒流。通过ANSYS/Fluent等仿真软件探究了水袋形状对液压大小的影响，通过改进水袋形状尽可能增加水力电机受到的驱动压力[25]。试验表明，液压式发电地砖在重量为50~85 kg的人行走激励下对外输出的平均功率为0.89~1.89 W，当人处于奔跑状态时，其对外输出平均功率为0.91~1.70 W。23种发电地砖对比分析对现有研究的3种不同形式的发电地砖从输出功率、能量回收效率、顶板位移行程以及成本4个因素进行对比分析。不同类型发电地砖的对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.021.T001表1不同类型发电地砖的对比地砖类型输出功率/W能量回收效率/%顶板位移行程/mm成本压电式＜0.1＜15＜5低电磁感应式3.2~1215~505~15高液压式0.89~1.895~1040中电磁感应式发电地砖能够输出的平均功率范围最大，能够适应不同规格的无线传感器供电需求。电磁感应式发电地砖中的电机式发电地砖在发电过程的能量损失，主要受机械传动效率和电机内阻放热的影响，能达到的能量回收效率也较高。但电磁感应式和液压式发电地砖在工作过程中上顶板的位移往往较大，会对行人正常行走造成一定影响，相比于结构较为简单的压电式发电地砖，电磁感应式和液压式发电地砖内部的传动零件较多，成本相对较高。3发电地砖的实际应用发电地砖的激励源为人行走的踩踏，行人的体重、身高、行走速度以及人流量等均会对踩踏的力度和频率产生影响，因此发电地砖的实际性能必须在实际应用场景中才能得到验证。Elhalwagy[26]等基于现有的案例，分析发电地砖的输出功率、能量储存、成本、设备安装、用户群体、人流量以及布置空间等多种因素对发电地砖推广应用的影响，确定了发电地砖在室内空间安装应用的可行性以及实施方案等。Akib[27]等将其研究开发的一种发电地砖安装于人行天桥上，进行24 h的人流量统计和发电地砖输出功率的记录，结果表明在该应用场景下，布置的发电地砖能够在早晚人流量高峰期达到60 kW的最大输出功率，平均功率可达35 kW。Hawas[28]等将应用场景设置在约旦大学工程学院内部，对实际测得的数据进行了推算预测，结果表明，若在全校范围内普及发电地砖，一天可获得的能量约1.27 kWh，可为6台LED路灯提供10 h的照明用电。在发电地砖的设计研发过程中，为尽量简化试验流程和便于数据测量，大多数研究会采用纯电阻作为发电地砖的外加负载以测量其发电功率。但在实际的应用场景中，发电地砖的供电负载是多种多样的，如何将发电地砖与特定负载有机结合以实现其功能多样化，已成为新的研究热点。文献[29]将发电地砖的结构设计与实际制造相结合，采用迭代开发的形式对提出的发电地砖进行不断优化，将其安装于楼梯的台阶边缘处，人在楼梯上行走时，对应踩踏的发电地砖LED灯会开启以提醒行人注意台阶落差。文献[30]基于发电地砖的室内应用提出了一种智能家居能量管理系统，旨在利用发电地砖受到踩踏时发出的电信号控制其余家电，用户移动至室内某一特定位置时，踩踏的地砖会发出对应指令信号控制，如日光灯、空气滤清器、空调等家电的开关，实现智能家电的节能管理。文献[31]将发电地砖产生的电能供应给单片机，由单片机和蓝牙通信模块实现对照明设备和风扇的无线开关。文献[32]和[33]均提出了一种基于发电地砖的智能公路照明系统，通过行人和车辆对发电地砖激励产生的电能，为周围路灯进行实时供电，发电地砖不受激励时，周围路灯能够逐渐降低亮度以实现当无行人和车辆通过时的自我关闭，达到了一定的节能效果。在商业化应用层面，英国Pavegen公司推出了一种顶面为等边三角形的新型发电地砖，其受力结构可实现行人随机踩踏压力的均匀化和最大化。目前该地砖已广泛应用于英国的多个公共场所，如地铁站、商业中心以及机场等[26]。荷兰Energy Floors公司除了将其发电地砖产品安放在人流量较大的公共场所外，还运用在各种娱乐领域中，如舞蹈、游戏等，在此基础上实现了用户数据的采集和利用。4研究方向展望经过近年来众多学者的不断研究，发电地砖在结构设计和性能优化等方面已有一定研究成果，为了进一步促进发电地砖的普及与发展，仍需要进行更深入研究：（1）现有发电地砖的相关研究大多集中于如何通过特定的运动传递机构将人体行走的激励更为有效地传递给发电装置，从而提升发电装置的输出功率和能量回收效率，而对地砖自身结构的强度、稳定性以及使用寿命等能否满足使用要求的研究相对较少，相关问题仍有待研究。（2）目前关于发电地砖的设计标准依然较少，大部分研究在设计地砖的结构尺寸和性能参数时缺少必要的设计依据，如何根据应用场景以及供电设备需求制定一套合适的设计标准仍有待探究。（3）对于发电地砖顶板下沉高度是否会对人正常行走产生影响的研究不足，缺乏相应的理论依据，无法确保在各种情况下行人均能正常通行。在后期的发电地砖设计中，应尽量结合人体工程学等相关领域开展研究，针对已投入使用的发电地砖进行用户意见收集，跟进用户反馈加以改进。（4）使用方式较为单一，现有的发电地砖大多作为一种新型的能源设备，为周围的用电设备进行供电，而如何通过物联网与5G技术实现发电地砖与周围的人、物的有效互动以及发电地砖的附加价值仍需要进一步研究。5结语发电地砖作为一种新型的人体俘能设备，能够为周围的无线传感器提供持续的能源供给，对节约能源和无线传感器的发展都具有促进作用。目前，发电地砖的实际应用普及程度仍然较低，在总结了当前已有相关文献的基础上，阐述现有发电地砖研究的不足之处，指出了未来的研究方向，为发电地砖的设计研究提供了一定的参考。