随着全球气候变化和环境污染问题日益严峻，实时、高效、低成本的二氧化碳（CO2）监测技术成为科学研究和政策制定的重要工具。传统的CO2监测装置通常依赖电池或外部供电系统，因而在安装灵活性和维护成本方面存在固有缺陷，尤其是不适合在偏远或工业复杂环境中长期使用。韩国科学技术院（KAIST）电气工程学院的研究团队近日宣布，他们成功开发出一套创新的自供能无线CO2监测系统，能够在无需电池和外部电源的条件下实现精确、实时的二氧化碳浓度测量。这一突破性的技术成果，不仅将改变环境监测领域的能耗格局，更为应对全球变暖的环境管理策略提供了技术支持。KAIST团队的研究成果基于惯性能量驱动的摩擦电纳米发电机（TENG）技术，将工业设备或管线自然产生的微小振动能转化为电能，进而支持CO2传感器和低功耗无线通信模块的稳定运行。通过巧妙组合四叠层有弹簧附件化的TENG结构，团队实现了对细微振动的放大和谐振现象，有效提升能量收集效率，使系统在频率约13Hz、加速度0.56g的条件下达到0.5毫瓦的稳定输出功率。
这种功率足以驱动配备蓝牙低功耗（BLE）系统单芯片的CO2传感器，支持周期性检测与无线数据传输，克服了传统监测装置对电池或外部电源的依赖。具有高灵敏度和低功耗特性的自供能无线监测系统在环境领域应用广泛，不仅能为工业排放控制提供实时监测数据，也有助于城市空气质量管理和生态环境保护。KAIST此次研发的原型系统，经过多轮实验验证，显示出与常规直流电源供电下相媲美的CO2浓度检测性能，表现出优异的稳定性和实用性。该项目由KAIST电气工程学院权京河教授领导，与中央大学柳汉俊教授团队协作完成，研究成果已发表于国际顶级期刊《Nano Energy》（影响因子16.8），获得学术界高度评价。理论与实践的结合使得惯性能纳米发电机在能源自主传感领域拥有巨大潜力。具体来说，利用工业环境中普遍存在的机械振动作为能源，新的监测系统实现了真正意义上的环境感知终端独立运行，避免了常规电源布设的难题和电池更换产生的经济及环境成本。
同时，该技术具备高度集成性和微型化优势，适合集成多种传感器，实现多参数环境监控，满足物联网和智能城市发展的需求。权教授强调，持续且无电源限制的监测系统是环境保护和气候应对的关键。惯性能驱动的自供能CO2监测方案为未来构建多元传感融合的环境监测平台提供了技术基础，是传感器网络向无电池化和无线化转型的重要示范。分析当前全球趋势，低功耗和自供能技术正成为环境传感器设计的核心方向。面对工业排放、交通污染和公共健康挑战，能够自主采集和传输数据的传感系统将极大提升监控效率和响应速度。KAIST的新技术完美契合了这一需求，以其创新性和实用性获得广泛关注。
此外，该方案在工业自动化、能源管理等领域同样具有广阔应用前景。文章合著者，KAIST硕士生张奎林和中央大学硕士生丹尼尔·马纳耶·蒂鲁内赫，参与了系统设计与实验验证，展现了跨校联合研究的优势和科研人才培养的活力。研究得到了沙特阿美—KAIST二氧化碳管理中心的支持，体现了国际合作在应对全球环境问题中的重要作用。未来，随着惯性能纳米发电机性能的进一步提升及微电子技术的发展，这类自供能环境监测设备有望实现更长时间稳定运行和更丰富的数据采集功能。预期其在智能环保、智慧城市、工业安全等领域的推广将带来深远影响，推动绿色低碳技术和数字化管理体系发展。总结来看，KAIST所提出的基于惯性驱动TENG的无线二氧化碳自供能监测系统，不仅解决了传统设备电源瓶颈，还实现了环境监测技术的革命性进步。
它为科学界和工业界提供了全新的方向和方法，有助于全球环保目标的实现以及气候变化应对策略的落实。随着相关技术的不断成熟和推广应用，自供能传感器将逐渐成为环境保护中的核心技术支撑，引领我们迈向更加智能、高效和可持续的未来。
