美国阿肯色大学和密歇根大学的研究团队近日展示了一项新技术。他们开发出一种基于石墨烯的能量采集装置，能够从周围电力线路产生的环境电磁辐射中获取能量，并将其转化为电能，为传感器提供动力，从而实现无需电池、无需供电线路的独立运行。

研究人员利用这项技术构建了一套无线温度监测系统，其中包括石墨烯能量采集器、电源转换电路、储能电容器以及超低功耗温度传感器。整个系统通过电磁感应获取电能，不依赖传统电池即可完成温度检测任务。

其工作原理建立在交流电产生变化磁场的基础之上。当电流通过电线时，会在周围形成磁场，而交流电持续改变方向和强度，因此会不断释放携带能量的变化磁场。在美国电网中，这种变化通常以每秒60次的频率发生。研究团队正是利用这些原本被忽视的能量来源，为独立设备提供持续供电。

为了捕获这些磁场能量，研究人员采用石墨烯制造电感器，并在其中加入钢芯以增强磁场收集能力。当设备被放置在输电线附近时，电线周围不断变化的磁场会穿过电感器，并在其两端感应出微弱的交流电压。这一过程与传统变压器和发电机所利用的电磁感应原理相同。

不过，最初产生的电信号无法直接驱动电子设备。一方面，它是交流电，而传感器需要直流电；另一方面，其电压水平也远远不足。为此，研究团队设计了一套基于Cockcroft-Walton倍压器的电源转换电路，将交流电整流为直流电，并逐步提升电压至传感器可用的水平。

与传统方案不同，这套系统没有采用可充电电池，而是利用三个电容器储存收集到的电能。电容会逐渐积累电荷，而研究人员表示，能量采集器补充电能的速度快于温度传感器消耗电能的速度，因此系统能够维持长期运转。

即便经过电压提升和储能处理，这种方式获得的电力规模依然极小。为适应这一限制，研究团队专门设计了超低功耗温度传感器，其功耗仅为纳瓦级，也就是十亿分之一瓦量级。据介绍，该装置消耗的功率大约比一只AirPods耳机低3000万倍。

研究人员表示，虽然石墨烯电感器收集能量的速度并不快，但仍然足以持续补充电容中的储能。只要附近存在足够的电磁能量来源，系统理论上便可无限期运行。同时，电容还能储存多余电量，即便周边电力暂时中断，设备依然能够继续工作。根据团队估计，储存的电荷至少能够维持传感器运行24小时，在部分情况下甚至有望坚持一周左右。

研究负责人保罗·西巴多教授指出，电感器向电容补充电荷的速度虽然缓慢，但仍高于传感器的耗电速度。因此，即使断电后，系统也能够依靠电容中储存的能量继续运转较长时间。

研究团队认为，这项技术非常适合大型工业设施中的温度监测网络。在工厂、管道系统和各种机械设备周围，往往需要部署成千上万个传感器。传统方案要么需要复杂的供电布线，要么需要频繁更换电池。而采用新技术后，大量传感器有望在没有电线、没有电池维护需求的情况下长期工作。

不过，研究人员也强调了该技术的局限性。首先，设备必须位于足够强的变化磁场附近，因此无法在任何环境中凭空发电。其次，目前实验尚未证明系统能够在完全零电量状态下自行启动，测试过程中电容器需要预先充电，处理器也需提前完成编程。除此之外，系统输出功率极低，目前只能驱动专门设计的超低功耗传感器，不足以为智能手机等普通电子设备供电。

尽管如此，团队认为这项成果为未来自供能传感器的发展提供了重要方向。除了温度监测外，类似技术未来还可应用于产品追踪、大气环境监测、物流车队管理、土壤监测、可穿戴健康设备以及医疗追踪等多个领域。

与此同时，研究人员还在探索利用声能、非线性能量、太阳能、热能、动能以及其他环境辐射来源进行发电，希望最终开发出能够从多种环境能源中同时获取电力的自主传感器系统，实现真正长期、免维护的运行。

相关研究成果已发表于《真空科学与技术杂志》。