Mechanical metamaterial design theory and its application to wearable vibration energy harvesting technology

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02095
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: Suzuki Takaaki 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (10378797)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノマイクロメカトロニクス / MEMS / IoT / 振動発電 / 圧電 / 摩擦帯電 / メタマテリアル

Outline of Final Research Achievements

Energy harvesting technology for sensor nodes is essential for maintenance-free next-generation IoT (Internet of Things) with wireless communications. In this research, we developed a wearable compact vibration energy harvesting device that efficiently generates power at low frequencies and broadband using a mechanical metamaterial structure fabricated by 3D lithography, a unique microfabrication technology. In addition to constructing the design principle of compliant mechanism using metamaterial structures, devices having arbitrarily design mechanical properties will enable power generation from random human motion. Vibration energy harvesting devices based of piezoelectric and triboelectric phenomena were manufactured to convert vibrational energy into electrical energy with high efficiency.

Free Research Field

マイクロメカトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

メタマテリアルに関する研究は、主に電磁気学や光学の分野で急進している一方で、機械工学的なメタマテリアル（メカニカルメタマテリアル）に関する研究は、その基礎的な材料力学的特性に関する検討が多く、その構造を実際にデバイスに組み込んだ例はいまだ少ない。その中で、本研究の成果である論文では、メカニカルメタマテリアルを振動発電デバイスに応用し、そのコンセプトを実際に製作したデバイスで実証した最初の例として、スマートマテリアル系の総説論文などで紹介されるなどその学術的意義は高い。また、これらの構造や設計理論は、既存のMEMSデバイスの性能改善にも貢献できる可能性があり、現在、企業との共同研究も進めている。