清華新聞網(wǎng)9月29日電 隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑物數(shù)量急劇增加，如何保障建筑物在全生命周期內(nèi)的安全成為社會(huì)關(guān)注的重要課題。其中，建筑物的歷史形變信息被視為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)。然而，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全覆蓋的形變監(jiān)控，大多數(shù)中小型建筑仍依賴(lài)定時(shí)或抽樣檢測(cè)。這種方式存在滯后性和隨機(jī)性，難以及時(shí)預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、全覆蓋的建筑形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為迫切需求。該系統(tǒng)不僅需要具備自驅(qū)動(dòng)特性，還應(yīng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，但目前的器件難以同時(shí)滿(mǎn)足這些條件。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)和丁文伯副教授團(tuán)隊(duì)以及合作者研發(fā)出一種全自驅(qū)動(dòng)建筑形變感存算一體系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用摩擦電器件將建筑形變信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)二維憶阻器單元，實(shí)現(xiàn)了傳感、計(jì)算與存儲(chǔ)的一體化。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了折紙結(jié)構(gòu)的摩擦電傳感器，并采用二維蛭石作為憶阻器的核心材料，實(shí)現(xiàn)了將摩擦電輸出直接用于憶阻器驅(qū)動(dòng)，顯著降低了電路復(fù)雜度。在這一系統(tǒng)中，摩擦電單元既能感知建筑形變，又能為憶阻器件提供能量。憶阻器則負(fù)責(zé)計(jì)算與存儲(chǔ)信號(hào)，隨后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將結(jié)果發(fā)送至移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)全自驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程化的實(shí)時(shí)建筑形變監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)十萬(wàn)次，展現(xiàn)出年量級(jí)的器件穩(wěn)定性，可滿(mǎn)足建筑的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)服役周期可長(zhǎng)達(dá)十年。這一技術(shù)不僅為建筑物的安全管理提供了全新思路和技術(shù)路徑，也為能源自驅(qū)動(dòng)型智能傳感與存算一體化系統(tǒng)的拓展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
建筑形變監(jiān)控的感存算一體系統(tǒng)
研究成果以“基于二維材料的折紙式自供能近傳感計(jì)算系統(tǒng)用于形變監(jiān)測(cè)”（Origami self-powered near-sensor computing system using 2D materials for deformation monitoring）為題，于9月17日發(fā)表于《器件》（Device）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授劉碧錄、副教授丁文伯和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理研究員張榮杰及2022級(jí)博士生徐慶昊為論文第一作者。研究得到國(guó)家基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)局等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100933
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
