Highly Efficient Mechanoelectrical Energy Conversion Based on the Near‐Tip Stress Field of an Antifracture Slit Observed in Scorpions

材料科学 微系统 机械感受器 机械能 狭缝 能量收集 声学 生物医学工程 能量(信号处理) 纳米技术 光学 工程类 物理 功率(物理) 神经科学 统计 生物 量子力学 数学 刺激
作者
Kejun Wang,Junqiu Zhang,Honglie Song,Yuqiang Fang,Xiaolong Wang,Daobing Chen,Linpeng Liu,Shichao Niu,Zhongwen Yao,Zhiwu Han,Luquan Ren
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:29 (22) 被引量:36
标识
DOI:10.1002/adfm.201807693
摘要

Abstract In the field of engineering, a crack, inducing enormous mechanical energy concentration at a tip, is considered a typical kind of defect. However, it is found that, to maximize the sensitivity of slit‐based mechanoreceptors, the near‐tip stress field of “risky” crack‐shaped slits is ingeniously used by scorpions to precisely detect the cyclic loads acting on walking legs without the crack nucleation from the flaw‐like tip. As a sophisticated biological mechanoelectrical transducing microsystem, the mechanoreceptor can effectively collect mechanical energy contained in the mechanical signal through antifracture slit allays and then convert the mechanical energy into electrical energy through mechanosensory neuron. The highly efficient mechanoelectrical energy conversion mechanism is theoretically analyzed and experimentally verified in a bioinspired artificial mechanoreceptor. The results demonstrate the potential of basic “design” principles, underlying the slit‐dependent mechanoreceptor, for maximizing the electromechanical conversion efficiency of the industrial mechanoelectrical transducing microsystem such as nanogenerators, ultrasensitive mechanical sensors, self‐powered portable, and wearable electronics.
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