随着智能时代的到来，物联网（IoT）迅速发展，推动了智慧城市和智能交通的进步[1]、[2]。为了使这些系统安全稳定地运行，需要大量的微型无线传感器。这些传感器用于监测大型工程结构（如桥梁、隧道和建筑物）的实时运行参数和环境因素[3]、[4]、[5]。传统上，这些传感器依赖电池供电，然而，电池的处理具有挑战性、成本高昂且对环境造成污染，尤其是考虑到传感器数量庞大[6]、[7]。因此，为这些微型无线传感器寻找一种低成本、环保的供电方案已成为限制智慧城市和智能交通进一步发展的关键瓶颈。
在智慧城市中，工程结构周围蕴藏着大量的绿色能源，例如风能[8]、[9]、振动能[10]、[11]、波浪能[12]、[13]以及人体运动能[14]、[15]。将这些环境能量转化为电能以供电给微型无线传感器是一个有前景的解决方案。在过去几十年中，压电[16]、[17]、电磁[18]、[19]和摩擦电[20]能量收集技术因其低成本和高效率的能量转换能力而受到广泛关注。众多研究证实了利用这些技术通过环境能量收集为微型传感器和设备供电的可行性[22]、[23]、[24]、[25]。例如，崔等人[26]提出了一种采用压电机制的能量收集器，并通过利用全局动力学提高了其振动能量收集性能。李等人[27]报道了一种采用电磁机制的能量收集器，在全向风能收集方面表现出色。阿里等人[28]设计了一种自集成双活性模式结构超级电容器，结合摩擦电纳米发电机，能够实现高效摩擦电能量收集。研究人员提出了许多非线性动态系统[29]、[30]，并研究了它们的复杂非线性行为[31]、[32]。在此基础上，孙等人[33]将非线性系统的优势特性与摩擦电纳米发电机（TENGs）相结合，设计了一种多稳态倒立摆TENG（MIP-TENG），并探讨了非线性动态与能量收集效率之间的相互作用。研究结果表明，MIP-TENG能够同时收集波浪能量并预测波浪水平。
摩擦电能量收集器（TEHs）通过静电感应和摩擦电效应将环境能量转化为电能[34]。由于其高输出电压和功率，TEHs自引入以来已成为能量收集研究的关键焦点[35]。迄今为止，已有四种主要类型的TEHs被广泛研究：滑动模式[36]、[37]、接触分离模式[38]、[39]、独立模式[40]、[41]以及单电极模式[42]、[43]。其中，滑动模式TEH的能量收集效率取决于薄膜之间的滑动距离和速度，广泛用于收集环境振动和人体运动能量[44]、[45]、[46]、[47]。例如，严等人[48]提出了一种柔性弧形TEH，可以从所有方向收集生物力学能量并实现人体运动监测。赵等人[49]设计了一种具有栅格图案薄膜的振动冲击TEH，能够高效收集振动能量。崔等人[50]引入了一种混合发电机，能够高效收集振动能量。
振动能量是围绕工程结构和机械设备的一种普遍存在的环境能量来源[51]。研究人员开发了多种能量收集器，如压电[52]、[53]、电磁[54]、[55]和摩擦电[56]、[57]能量收集器，以收集这种振动能量。例如，王等人[58]设计了一种基于压电机制的生物启发式能量收集器，以提高能量收集效率。拉贾拉辛纳姆等人[59]利用电磁机制设计了一种基于摆式结构的振动能量收集器阵列，用于宽带振动能量收集。江等人[60]报道了一种受蜘蛛网启发的摩擦电纳米发电机，在微米级振动能量收集方面表现出色。然而，传统的能量收集器在将振动能量高效转化为电能方面面临重大挑战，因为它们的能量转换效率低且低频环境下的带宽狭窄。因此，在宽频率范围内高效收集低频振动能量仍然是振动能量收集领域的一个显著挑战。
为了解决收集低频振动能量的问题，本文借鉴了摆式中的动能和势能转换原理，提出了一种受摆式启发的双稳态摩擦电振动能量收集器（PBTVEH）。其关键创新在于将负刚度机制扩展到摩擦电系统中，使其能够通过非线性机械机制将低频振动转化为放大的动态响应，从而实现低频振动能量向电能的高效转换。为了证明其优越性能，建立了PBTVEH的理论模型。对其动态行为和非线性能量收集能力进行了彻底分析，并研究了参数对其行为的影响。此外，还进行了实验以验证理论模型的可靠性并展示PBTVEH的潜在应用。
