Bioinspired twist-hyperbolic metamaterial for impact buffering and self-powered real-time sensing in UAVs

能量收集 计算机科学 摩擦电效应 纳米发生器 机械能 超材料 执行机构 能量(信号处理) 航空航天工程 功率(物理) 电气工程 材料科学 工程类 人工智能 物理 压电 光电子学 量子力学 复合材料
作者
Xujiang Chao,Haoteng Hu,Jen‐Lien Lin,Xueyang Ge,Y. Wang,Lei Xie,Beichen Hu,Liang Meng,Shudong Yu,Fei Liang,Lehua Qi,Zhong Lin Wang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (36): eadw6179-eadw6179 被引量:5
标识
DOI:10.1126/sciadv.adw6179
摘要

Turbulence-induced vibrations pose substantial risks to aircraft structural integrity and flight stability, particularly in unmanned aerial vehicles (UAVs), where real-time impact monitoring and lightweight protection are critical. Here, we present a bioinspired twist-hyperbolic metamaterial (THM) integrated with a triboelectric nanogenerator (TENG) for simultaneously impact buffering and self-powered sensing. The THM-TENG protector exhibits tunable stiffness (40 to 4300 newtons per millimeter), ~70% impact energy absorption, and achieves a specific energy absorption of ~0.25 joules per gram at a weight of only 10 grams. Through triboelectrification, the protector converts mechanical energy into electrical signals, enabling real-time monitoring of impact loads up to 1000 newtons (≤5 hertz). Integrated with a microcontroller unit, wireless transmission, and alarm systems, THM-TENG demonstrates dual functionality in UAVs: mitigating vibration while providing real-time force monitoring, positioning, and early warning, all without external power sources. This work establishes a transformative framework for lightweight, multifunctional protective systems with applications in aerospace, robotics, and autonomous vehicles.
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