基于振动的能量收集器能够为低功耗设备（如无线传感器和微机电系统（MEMS）提供连续、稳定且自给的电力。这些能力对于远程环境监测站、桥梁和高层建筑的结构健康监测（SHM），以及野外部署的物联网（IoT）节点尤为重要，因为在这些环境中维护或更换电池具有挑战性[[1], [2], [3]]。作为一种可持续且自给的自给能源收集方法，这项技术具有相当大的潜力，可以补充甚至替代传统的化学电池[[4], [5], [6]]。相比之下，化学电池存在一些缺点，如环境污染、高成本、潜在的安全风险以及需要定期维护[[7], [8], [9]]。目前，最常用的振动转电能转换机制包括电磁[10,11]、压电[12,13]、摩擦电[14,15]和静电转换[16,17]。其中，压电能量收集器因其结构简单、易于集成、功率密度高且抗电磁干扰而受到广泛关注[[18], [19], [20]]。
能量收集器在原理上类似于微型发电机[21,22]，可以从环境激励中持续捕获能量。风能收集通常分为旋转式和基于振动的机制。旋转式收集器具有高功率和风向独立性[23]，但其连续旋转往往带来结构和维护上的复杂性。而基于振动的收集器利用往复振荡，在空气动力学兼容性方面具有独特优势。自然界中存在大量的振动[[24], [25], [26]]，通常分为自激振动和强迫振动[[27], [28], [29]]。流动诱导振动（FIV）作为一种典型的自激机制，在自然界中广泛存在，并具有丰富的能量潜力[[30], [31], [32]]。典型的现象包括涡流诱导振动（VIV）[[33], [34], [35]]、颤振[[36], [37], [38]]和驰振[[39], [40], [41]]。其中，颤振是由气动弹性耦合引起的，其特征是振幅大和工作带宽宽[[42,43]]。通过理论和实验方法研究了基于机翼的颤振诱导振动能量收集[44,45]。当气流速度超过临界阈值时，基于机翼的收集器会发生颤振并进入稳定的极限环振荡（LCO），在稳定的空气动力激励下实现持续的电能输出[[46,47]]，这为户外气流中的高能耗传感任务提供了理想的功率密度。
为了提高能量收集性能和拓宽工作带宽，近年来探索了多种策略[[48], [49], [50]]，包括结构非线性[51,52]、磁耦合[53,54]、多自由度（DOF）机制[55,56]、应力放大机制[57]和混合转换[58,59]。例如，Abdelkefi等人[60,61]证明，在俯仰-俯冲颤振收集器中加入自由活动间隙可以在低气流速度下实现有效响应。在磁耦合方面，Li等人[62]和Roy等人[63]利用磁非线性提高了能量收集性能：前者降低了基于机翼的收集器的起始速度，而后者在较宽的速度范围内提高了功率。Sun等人[64]开发了一种可滑动圆柱形压电收集器，将输出功率提高了110%。Su等人[65]设计了一种双向VIV压电收集器，可以从两个气流方向收集风能。Eugeneni等人[66]通过优化膜-尾流相互作用，实现了旗帜型收集器的高功率密度。Fan等人[67]使用悬浮磁铁设计了一种磁耦合的混合压电和电磁收集器，从而扩展了工作带宽并提高了功率输出。Wu等人[68]构建了一种双俯冲DOF运动收集器，其性能优于相应的俯冲-俯仰运动收集器。
与可能增加系统复杂性的结构和耦合策略相比，表面几何修改作为一种轻量且有效的解决方案应运而生[69,70]。在不改变整体结构规模或质量分布的情况下，局部几何扰动可以显著重塑近壁流场并增强空气动力激励。例如，相关研究中广泛采用了分流板[71,72]、沟槽结构[73,74]和超表面[75,76]的集成。特别是，分流板已被证明可以通过尾流操控显著提高能量收集效率[77,78]。Wang等人[79]证明，在圆柱形钝体上蚀刻的凹面图案可以强烈调节VIV行为并拓宽工作带宽。Hu等人[80]提出了三种配备杆状附件的圆柱形收集器，发现三角形杆比圆形和方形附件性能更好。Tian等人[81,82]研究了表面附件的效果，发现方形杆可以将功率输出提高469.7%，而半球形离散凸起可以将输出电压提高104%。Jin等人[83]设计了十二种具有凹坑和凸起的仿生附件，将起始速度降低了0.8米/秒，并将带宽拓宽了12.1%。Zhao等人[84]在方形圆柱体的迎风表面引入了V形沟槽，降低了起始速度并增强了驰振响应，使功率输出增加了61%。
上述研究表明，表面特征修改可以有效地调节流场模式并增强振动响应，从而最终影响能量收集性能。近年来，仿生学已成为各个工程领域的前沿策略[[85,86]]。例如，一种受含羞草启发的自适应纳米发电机通过利用灵活的接触模式切换，实现了0.5米/秒的低启动风速进行风能收集和监测[[87]]。同样，一种受游泳蟹启发的结构有效减少了流体通道中的涡流形成，将反渗透海水淡化的流压降低了多达50%[[88]]。值得注意的是，仿生表面工程在提高环境适应性、智能监测和整体系统效率方面显示出巨大潜力[[89]]。受鲨鱼皮肤表皮齿状结构的启发，本研究在机翼表面设计了一系列仿生表面凸起，这些凸起能够改变流体-结构相互作用并操控边界层行为。将仿生表面凸起引入机翼表面可能是一种有效的方法来提高其空气动力性能。然而，到目前为止，仿生表面凸起对流场、气动弹性动力学和基于机翼的颤振压电能量收集器输出特性的影响尚未得到系统研究，其背后的作用机制也尚未充分理解。深入研究仿生表面凸起如何调节近壁流动、改变颤振行为以及提高压电能量收集器的输出性能是非常有必要的。本研究对于通过仿生表面凸起设计高效基于机翼的颤振压电能量收集器具有重要意义。
因此，本文提出了一种基于机翼的颤振压电能量收集器，在机翼表面集成了仿生表面凸起。由于该收集器能够在较低速度下触发气动弹性不稳定性，因此具有为自然环境中的分布式传感器节点供电的独特潜力。通过风洞实验和三维数值模拟研究了弦向凸起、展向波浪凸起以及展向波度比对输出特性的影响。本研究的主要贡献如下：（1）提出了一种基于机翼的颤振压电能量收集器，集成了仿生表面凸起；（2）设计的仿生表面凸起可以有效增强振动响应并在低速度下提高电能输出，验证了其在驱动低功耗设备中的实际应用性；（3）揭示了从弯曲主导模式到耦合俯仰-俯冲颤振模式的转变机制；（4）流场分析阐明了仿生表面凸起的增强机制。
本文的结构如下：第2节介绍了集成仿生表面凸起的能量收集器系统的概念设计。第3节制造了实验装置和原型，并研究了不同结构配置和气流速度下的气动弹性振动和输出特性。第4节通过数值模拟分析了流场特性。第5节评估了其为电子设备供电的实际应用潜力。第6节总结了一些重要结论。
