论摩擦发电器件如何发表到Science正刊

9 月 18 日 材料科学与工程

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最近的8月份,Science上发表了一篇关于可植入的摩擦发电供能器件的文章(Science, 2019, 365, 491–494.),为人体植入医疗器件的供能提出了一种新的解决方案。

对于可植入的医疗器件来说,如何实现有效的电能供应是亟待解决的问题。许多医疗器件使用锂电池功能,在电池电量用尽以后,往往需要手术更换电池,但这不可避免地会对患者产生一定的创伤。所以通过非手术的方式为植入的电池充电,有对于植入式医疗器件来说有重大的意义。一些工作通过捕获人体内部运动的机械能来产生电能,但由于人体内机械运动频率很低,难以达到高的效率。另一种方式是通过超声波将能量由外部传输至体内,再将超声波振动的能量转化为电能。并且超声波是一种安全可靠的形式,对生物组织非常友好。传统的压电材料能实现超声波到电能的转化,但压电材料存在具有一定的生物毒性,器件难以做薄,输出电压低不足以为锂电池冲电,等局限性。

这一篇Science的文章报导了一种基于摩擦发电的可植入器件,能够高效地实现超声波到电能的转化,并能有效的为锂电池充电。

文章的图一展示了器件(VI-TEG)的工作示意图,基本组成和工作原理。摩擦发电器件被植入在皮下,通过在皮肤外施加超声波,器件就能输出电能。器件由多个部分组成,摩擦发电的部分是PFA 层和金/铜电极。PFA 层和金/铜电极接触后带负电,两层之间产生间距的变化就会输出交变的电流。最后作者还通过COMSOL仿真展示了声压的分布和器件PFA层在声场作用下的位移。从COMSOL仿真结果可以看到,声波主要被VI-TEG器件反射,不能透过VI-TEG,而VI-TEG中能产生相当大的位移,从而产生电能。通过仿真结果,直观明了的展示了器件工作的基本科学原理。

在水环境中测试器件性能,由于水的阻抗和人体组织相近,所以可以用水模拟人体组织环境。器件的输出电压可达20V,电流可达427 uA。

这样的电能输出性能足以对锂电池进行充电。对电池充电的相关数据上图如上图所示。

最后文章在生物组织中测试了器件的性能。作者选取了一块猪肉,并将器件植入到猪肉距离皮肤不同深度的地方。0.5 cm深度的地方有1.21V,98.1 uA的输出。1cm深度的地方有0.91V,52.5uA的输出。进一步验证了器件的性能和在生物组织中的可靠性。另外除了实验测量,文章也用到了COMSOL仿真模拟来说明科学问题。其实在各种各种传感器的高档次文章中COMSOL仿真模拟已经是一个很常用的工具了。

(图片源于Science advances, 2017, 3(3): e1602200.)

(图片源于Adv. Mater., 2014, 26, 2514–2520.)

(图片源于Adv.Mater., 2014, 26, 2818-2824)

可见如今在高档次文章中结合COMSOL仿真模拟来解释科学问题,展示物理机制的方式已经变的越来越常见。特别是对于这种机理解释性文章,一些仿真模拟可以说是必不可少的。COMSOL是一个多物理场仿真软件,功能全面,覆盖面广泛,软件用界面友好,如今已成为科研人员的首先模拟仿真软件。学会使用COMSOL也是一个非常有用的科研技能。

为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握这一前沿高效的数据分析软件, 北京中科幻彩动漫科技有限公司 举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升 专题培训 !!!

科研模拟·学术仿真专题培训会

2019年09月21-22日 广州·华南师范大学

2019年09月28-29日 北京·中科院过程所

2019年09月28-29日 上海·复旦大学

2019年10月19-20 广州·华南师范大学

2019年10月26-27日 北京·中科院过程所


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课程概要

提高文章中稿率、冲高影响因子的关键,在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想,数据不够完美,论文内容缺乏支撑,这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区,让你的实验结果从此告别“差强人意”,高影响因子不是梦!


在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能,在许多物理和工程类学科(力学,光学,流体力学,电磁学,声学,化工)中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析,结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展,仿真模拟的需求也不限于上述的学科,在新兴的材料科学,能源科学,生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现,仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用,越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。


本课程专门针对科研学术领域,为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始,循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法,以及建模操作流程(其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等),让学员全面掌握整个建模流程,并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训,我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。


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课程内容

1.入门有限元仿真模拟

有限元方法的基本内涵,仿真模拟基本理论的讲解,以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义,能够帮助科研人员解决的实际问题,不同仿真模拟软件(COMSOL ANSYS Abaqus)的特点和在科研上运用的优缺点比较;
COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学,包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。


2.有限元模拟的一般思路和通用方法

解线性和非线性有限元法的理论基础,了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识,以典型的多物理场模拟为入门教学案例,帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路,并能够灵活应用于自己的研究领域。


3.COMSOL软件的高级使用技巧

结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学,包括几何建模注意事项,优化网格划分的方法与技巧,结果后处理与复杂图表的绘制方法,多物理场耦合的方法与技巧,通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等,深入学习COMSOL软件的高级操作技巧,并结合学员科研背景进行案例演示,进一步挖掘实操中的常用技巧。


4.多物理场仿真建模的高效技术解决方案

结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础,多物理场耦合的分析方法和注意事项,添加方程式及耦合分析;求解时域,频域和特征值问题;移动网格和自适应网格方法,查找,理解和排除建模中的错误,用户工作效率最大化的有效建模,仿真模拟在科研中的实战演练,结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练,进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议,针对科研工作中的问题和老师当面交流,理清思路,解决模拟困难。


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部分教学案例展示

几何建模注意事项


优化网格划分的方法与技巧


结果后处理与复杂图表绘制


多物理场耦合的方法与技巧


通过函数、变量与自定义方程

的使用模拟复杂问题


纳米摩擦发电机仿真模拟


微流体物质混合模拟


金属光栅衍射


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课程试听



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学员作品



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模拟案例


 更多案例:http://www.zhongkehuancai.com


讲师简介


Dr. Li / Dr. Wang 

中科幻彩仿真模拟事业部技术总监

中国科学院博士

美国加州大学洛杉矶分校博士后


全国物理奥林匹克竞赛金牌

美国数学建模大赛一等奖(Final Winner)

第一作者身份著述的多篇论文在众多顶级杂志发表:

《Nature Communications》

《Science Advances》

《Advanced Materials》

《JACS》

  ……

12年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验

300+通过模拟显著提升文章档次的案例


凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料,科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件,课后学员交流群持续讨论学习/专业讲师答疑指导

学员群课后交流 讲师随时解答

学员培训感受


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课程特色

★特色一 :COMSOL可以更好地服务于科研群体。我们课程将从科研实例出发,帮助学员掌握各种技巧和套路,轻松玩转有限元模拟软件。
★特色二:讲师总结八年有限元模拟经验,带领学员快速入门,学会如何从实际问题中提炼出物理模型,建立物理建模思维,掌握仿真模拟的一般方法和通用思路。
★特色三:将化学、物理、生物、材料等领域中典型模型作为实战案例,同时根据学员专业背景进行素材整理,量身定制课程内容,将学以致用发挥到极致。
★特色四:建立专属学员微信群,课前专业助教协助安装软件下载素材包,课后讲师长期群内随时答疑,不定期推送模拟技能提升小视频,帮助学员轻松应对仿真模拟中的常见难题。
★特色五:我们承诺:学员一次报名,终身免费复学。无需担忧学不会、学不精,只要你愿意学,幻彩保证奉陪到底。


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往期现场


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报名通道

时间地点

2019年9月21-22日 广州·华南师范大学

2019年9月28-29日 北京·中科院过程所

2019年9月28-29日 上海·复旦大学

2019年10月19-20日 广州·华南师范大学

2019年10月26-27日 北京·中科院过程所

注册费用

原价:2990元/人

团报价:2790元/人(3人及以上)

报名咨询:17611790910(毛老师)

备注:如有专场培训需求,可安排讲师赴贵单位开展专场培训,专场培训价格更优

提供正规发票(包括会议注册表、邀请函等报销材料)、费用包含两日午餐,住宿及其他费用自理


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报名方式

扫描下方二维码在线填写报名表,工作人员会在收到报名信息的第一时间电话联系确认相关信息

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缴费方式

1. 银行转账汇款(由默希科技代收)

开户行:北京银行中关村海淀园支行

收款单位:默希科技(北京)有限公司

银行账号:20000033833400015141062

备注:姓名+单位+场次

2. 支付宝转账

企业支付宝账户:mosikj@126.com

请核对户名:默希科技(北京)有限公司

3. 现场刷卡/现金

培训当天可刷公务卡或现金或微信支付,请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续


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常见问题

Q:有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助,真的能提高文章档次吗?

A:对于一部分的研究领域,例如人工超材料,理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域,模拟计算可以作为实验的补充,能进一步验证实验的结论,提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容,在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计,提高实验效率。


Q:我是零基础学员,两天的时间也能学会吗?

A:我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用,更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作,提升文章的质量。


Q:什么专业方向都可以做有限元模拟吗?

A:有限元方法是一种一般性的数值计算的方法,用来求解各种偏微分方程,理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用,而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中,例如柔性传感器件,能源器件,生物工程,微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。


Q:每场培训有多少学员呀?不会是那种人山人海的大课吧?

A:为保证教学质量,也为学员营造舒适的学习环境,我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内,以保证良好的课堂秩序,同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。


Q:我是慢热型的学生,接受新知识慢,一次学不够怎么办?
A:老学员可以免费复听,一次报名终身免费复学,只要你学不够,我们就一直教下去~

Q:可以开具发票进行报销吗?

A:当然可以!我们将为学员开具正规发票,并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料,并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。


Q:培训提供食宿吗?
A:我们为学员提供两日培训的午餐,住宿需要学员自费,我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息,方便学员选择和预定。老学员复听不再重复安排午餐和资料,带着身份证现场签到即可。

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