Science Advances--3D打印生物启发扭曲双曲超材料，用于无人机冲击缓冲和自供电实时传感

湍流引起的振动会对飞机的结构完整性及飞行稳定性造成巨大威胁，尤其是在无人驾驶飞行器（UAV）中，实时的冲击监测和轻质防护尤为重要。该研究基于生物启发，通过3D 打印尼龙PA12 制备了一种扭转-双曲面超材料（THM），与两种介电材料组成的摩擦电纳米发电机（TENG）相结合，同时实现冲击缓冲和自供电传感的功能。这种 THM-TENG 保护装置具有可调的刚度（40 至 4300 N/mm），能吸收约 70%的冲击能量，并在重
量仅为 10 g（THM-TENG/30°）的情况下实现了约 0.25 J/g的特定能量吸收。该系统展现了卓越的自供电传感性能，能够在 5 Hz的频率范围内准确识别高达 1000 N 的动态冲击载荷。在这里插入图片描述

THM-TENG 保护器在不同负载振幅和频率下的电学特性表明，其可以实现对冲击力的实时监测。同时，使用全波整流桥，当手动以 2 Hz的频率冲击时，THM-TENG 可为 63 个发光二极管供电。此外，在 3 Hz和 70 N振幅的振动台驱动下，THM-TENG 在约 270 s内将一个 100 uF的电容器充电至 3 V，随后为一个墨屏计时器供电 5 s。这些结果突显了 THM-TENG 在防护应用中作为自供电传感和冲击缓冲系统方面的潜力。与微控制器单元（MCU）、无线传输系统和报警模块集成后，THM-TENG 防护系统被嵌入到无人机外壳中，展现了双重功能：既能减轻振动，又能提供实时的力监测、定位和早期预警，且无需外部电源。这一创新为无人机的实时监测、机械保护和早期预警建立了一个多功能平台，为航空航天应用中的先进结构健康管理铺平了道路，但将其适配到复杂的无人机几何形状中仍非易事。未来的工作将侧重于（i）开发在不规则区域内的超材料结构的设计方法，（ii）减少基于 TENG 的无人机传感器中由气流引起的信号噪声，以及（iii）利用多通道自供电信号进行全局振动分析。