利用人體熱效應(yīng)為可穿戴設(shè)備供電，技術(shù)原理是怎樣的？

由于近十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及電子元件的小型化，人們可以通過(guò)佩戴微型計(jì)算機(jī)來(lái)跟蹤自己的運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)監(jiān)控其健康狀況。

現(xiàn)在，研究人員正在研究如何最好地為這些可穿戴設(shè)備供電，方法是利用用戶自己的體熱，并與服裝，圓點(diǎn)和紡織行業(yè)的專家們一起工作。一個(gè)名為ThermoTex的項(xiàng)目正在探索利用人體熱量為微型的可穿戴設(shè)備供電。

到2025年，可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到530億歐元，但它由單一產(chǎn)品-智能手表主導(dǎo)。除此之外，德國(guó)Fraunhofer FEP的Matthias Fahland博士說(shuō)，還有很多產(chǎn)品處于“起步階段”。該領(lǐng)域的主要障礙之一是存儲(chǔ)。“電池的能源來(lái)自何處，續(xù)航能力將持續(xù)多久，是所有問(wèn)題的關(guān)鍵。”

瑞典查爾默斯理工大學(xué)的克里斯蒂安·穆勒教授說(shuō)，熱電效應(yīng)已經(jīng)有近200年的歷史了。所謂熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子（空穴），隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)，產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。例如人的皮膚與外部溫度之間存在溫差時(shí)，熱電效應(yīng)允許將熱能轉(zhuǎn)換為電能。電子從材料的較熱部分移動(dòng)到較冷的部分，電荷的這種移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。

他說(shuō)：“熱梯度（差異）是一個(gè)重要的動(dòng)力源，因?yàn)樗鼈円恢贝嬖凇?rdquo;

由用戶自身體溫提供動(dòng)力的可穿戴電子設(shè)備，可以幫助解決如何存儲(chǔ)能量的問(wèn)題。來(lái)源：pxhere.com 

聚合物

ThermoTex有兩個(gè)軌跡：基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)。

在其基本軌道上，該團(tuán)隊(duì)試圖設(shè)計(jì)具有比目前可用的熱電性能更好的聚合物。調(diào)節(jié)聚合物熱電效應(yīng)的一種方法是摻雜，這是分子的長(zhǎng)重復(fù)鏈。此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生發(fā)電所需的電荷。

2020年，ThermoTex團(tuán)隊(duì)在《自然材料》上發(fā)表了一篇論文，表明通過(guò)將具有低電離能的聚合物（釋放電子所需的能量）和具有高電子親和力的摻雜劑（添加到聚合物中的分子）結(jié)合在一起，可能使摻雜效率提高一倍。
 
但是，在摻雜劑方面存在安全隱患，尤其是在可穿戴電子設(shè)備中使用摻雜劑時(shí)。米勒教授說(shuō)：“它們可能有毒。” 他補(bǔ)充說(shuō)，如果它們與您的皮膚接觸，可能會(huì)毒害您。

該小組研究了大約50種不同的摻雜物，并將進(jìn)一步在一個(gè)名為HORATES的項(xiàng)目里展開深度調(diào)研。這個(gè)大項(xiàng)目由歐盟資助，將于2021年啟動(dòng)，重點(diǎn)開發(fā)有機(jī)或碳基，熱電發(fā)生器。

作為應(yīng)用工作的一部分，ThermoTex購(gòu)買了商業(yè)導(dǎo)電聚合物配方，他們將其用于包覆絲綢。盡管這些涂層的效率不及穆勒教授實(shí)驗(yàn)室制造的某些涂層，但它們可以幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開始制造導(dǎo)電織物和設(shè)備。例如，涂層的絲綢可以為人體監(jiān)測(cè)傳感器提供能量。

Müller教授說(shuō)，他們將使用壽命很長(zhǎng)的線縫合在織物上，再將它們繡成小的波爾卡圓點(diǎn)，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楫?dāng)以點(diǎn)狀形式出現(xiàn)時(shí)，絲綢是皮膚與外界空氣之間的導(dǎo)管。學(xué)生還可以在織機(jī)中將這些絲線編織在一起。

他說(shuō)：“我認(rèn)為與紡織業(yè)互動(dòng)并使用他們的方法，非常重要。” “這是一個(gè)成熟的行業(yè)，利潤(rùn)率很低，因此有些奇特方法就顯得尤為瘋狂。”

這種絲綢繡花的熱電發(fā)電機(jī)，可通過(guò)人體熱量為可穿戴設(shè)備供電。圖片來(lái)源：Anja Lund

平臺(tái)化

同時(shí)，F(xiàn)raunhofer FEP的Fahland博士也試圖提供可用于服裝的紡織行業(yè)解決方案。他是Smart2Go（11個(gè)成員的項(xiàng)目）的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，該項(xiàng)目旨在為可穿戴電子設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)掌上型的自主能源供應(yīng)平臺(tái)。

該平臺(tái)集成了能量收集功能，例如從熱電效應(yīng)中獲取的能量，存儲(chǔ)以及應(yīng)用這些能量。Fahland博士說(shuō)：“該平臺(tái)是一堆箔紙，具有很多功能。”他補(bǔ)充說(shuō)，您可以將其握在手中。“這是一個(gè)接口，將能量收集器連接到應(yīng)用程序。您可以指定如何將能量放到平臺(tái)中，以及將能量引入應(yīng)用程序的方式。”

在應(yīng)用方面，Smart2Go正在與行業(yè)合作伙伴就兩個(gè)不同的項(xiàng)目進(jìn)行合作。

Smart2Go正在與一家紡織和服裝制造商合作，將平臺(tái)與能量收集材料集成在一起，以提供更安全的工作服。可能包括諸如黑暗時(shí)點(diǎn)亮的功能。它還與一家運(yùn)動(dòng)休閑服裝公司合作，制作可以收集有關(guān)性能信息的服裝。

Fahland博士說(shuō)，這些解決方案對(duì)材料的重量和柔韌性施加了許多限制。而且，構(gòu)建時(shí)必須考慮用戶可以“嵌入”不同能量收集技術(shù)。

Smart2Go的項(xiàng)目依賴于太陽(yáng)能和人體熱量，但其他項(xiàng)目可能包括運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量或動(dòng)能。芬蘭坦佩雷大學(xué)的項(xiàng)目同事正在研究該平臺(tái)的超級(jí)電容器，這些電容器將增加可用于不同應(yīng)用的電流，從而擴(kuò)大了平臺(tái)的可能用途。

移動(dòng)手機(jī)應(yīng)用

但是，這些小型能量收集器只能從環(huán)境中清除大量能量。有人認(rèn)為未來(lái)可以利用熱電效應(yīng)為手機(jī)供電，ThermoTex的Müller教授對(duì)這種想法嗤之以鼻。

不僅能量采集效率很低——他估計(jì)最多可以收集和儲(chǔ)存1％的熱能，這就是他們?cè)噲D開發(fā)新材料的原因，還會(huì)使穿著者感到非常冷，因?yàn)樵O(shè)備試圖從身體吸收能量。

但是，對(duì)于較小的應(yīng)用（例如用于監(jiān)視健康的傳感器，識(shí)別標(biāo)簽或安全服），可以從周圍環(huán)境中汲取少量能量的微型設(shè)備作為解決方案。

盡管到目前為止，可穿戴電子產(chǎn)品的最大障礙可能不是技術(shù)上的障礙，盡管這一直是阻礙其發(fā)展和普及的主要障礙。為了使可穿戴電子產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展，需要避免可穿戴設(shè)備收集和存儲(chǔ)個(gè)人隱私，以及由此帶來(lái)的安全隱患。法赫蘭德博士說(shuō)：“有很多法律和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題需要認(rèn)真對(duì)待。”

同時(shí)，他和該領(lǐng)域的其他人正在消除可能遇到的障礙，并創(chuàng)造出一種技術(shù)，該技術(shù)將為衣物從身體和環(huán)境中產(chǎn)生能量而鋪平道路。