隨著第五代移動通信技術(shù)（5G）、人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的推進(jìn)，“智能可穿戴”這個理念逐漸深入人心，市面上也涌現(xiàn)出了大量的可穿戴電子設(shè)備，例如：運(yùn)動手環(huán)、智能手表、電子襪子等。可穿戴電子設(shè)備在發(fā)展過程中也暴露出一些問題，價格昂貴、不能獨(dú)立使用，續(xù)航時間短等問題。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功耗不斷降低，但是24小時全天候的工作模式也給可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展帶來巨大的壓力，探索一種便攜的電能補(bǔ)給策略來提高可穿戴電子設(shè)備的續(xù)航時間成為熱門的研究課題。
人體作為一個大的能量單元，每一次呼吸、心跳、擺臂、屈膝都伴隨著能量的耗散，通過采集人體運(yùn)動的能量為可穿戴電子設(shè)備補(bǔ)給電能成為解決其續(xù)航時間短的最佳方法之一。目前報道的機(jī)械能轉(zhuǎn)化方式主要有三種：電磁發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)。在采集人體能量的過程中以不妨礙人體的生命活動作為基本要求，同時又要保證穿戴的舒適性，而摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)以工作原理簡單、工作模式多樣化、低頻下采集效果佳等優(yōu)點(diǎn)成為采集人體運(yùn)動能量的最佳選擇方式。
腳底包含了人體最高的力學(xué)能量，同時人體每天的生命活動都離不開腳的參與，采集人體腳底的運(yùn)動能量成為研究的熱門方向。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員團(tuán)隊(duì)基于摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了一種柔性、可穿戴的智能鞋墊，該鞋墊能夠?qū)⒛_底的運(yùn)動能量轉(zhuǎn)化為電能，同時兼具步態(tài)識別的功能。
該鞋墊有多層材料復(fù)合而成，并通過微加工技術(shù)對復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行圖案化設(shè)計(jì)。摩擦納米發(fā)電機(jī)位于鞋墊的前腳掌部位，壓電納米發(fā)電機(jī)位于鞋墊的后腳掌部位。摩擦納米發(fā)電機(jī)采用兩層高分子層（PTFE）和一層金屬層（Al）作為摩擦層，三層摩擦層被兩層具有大量通孔結(jié)構(gòu)的海綿層隔開。前腳掌落地時，位于頂部和底部的PTFE層向中間層Al擠壓，PTFE和Al在通孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)接觸-分離動作將落腳和抬腳時腳底的能量轉(zhuǎn)化為電能。
壓電納米發(fā)電機(jī)采用PVDF作為壓電材料，為了增大壓電材料的輸出性能，作者對其上下兩面采用不同應(yīng)力差的材料進(jìn)行封裝，封裝完成后對整體進(jìn)行熱加工為拱形狀態(tài)，拱高為鞋墊厚度的一半左右。該設(shè)計(jì)方法可以增大壓電材料的形變量和應(yīng)力差從而提高其輸出性能。
圖1 基于摩擦-壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電鞋墊的結(jié)構(gòu)圖
前后腳的摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)采用并聯(lián)工作模式，在行走時一般遵循前腳落地、后腳落地、前腳抬起和后腳抬起的規(guī)律，因此行走時兩個發(fā)電機(jī)依次進(jìn)行工作，由于兩類發(fā)電機(jī)的輸出信號不同，通過輸出信號可以判別腳底的動作，因此該鞋墊具有步態(tài)判別的功能。
圖2 復(fù)合發(fā)電鞋墊行走狀態(tài)下的輸出規(guī)律研究
除了正常的行走外，腳底動作還包括踏步和跳躍等，踏步和跳躍相對于行走而言腳底的能量分布均勻集中，在日常生活中爬樓梯就相當(dāng)于踏步行走。該復(fù)合發(fā)電鞋墊可以從跳躍運(yùn)動中采集到最大150 V的開路電壓、4 μA的短路電流和250 nC的轉(zhuǎn)移電荷量。
圖3 復(fù)合發(fā)電鞋墊不同運(yùn)動狀態(tài)下輸出能力比較
為了探究其為電子設(shè)備的供電能力，研究了復(fù)合發(fā)電鞋墊的輸出功率和負(fù)載的匹配關(guān)系，為電能存儲元件充電的能力，驅(qū)動微型計(jì)算器實(shí)驗(yàn)和直接驅(qū)動LED燈板實(shí)驗(yàn)。最后設(shè)計(jì)了一種可穿戴的足背脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器位于鞋子舌頭內(nèi)側(cè)，可以實(shí)時觀測足背的脈搏搏動情況，對于足背動脈病人長期監(jiān)測具有重要意義。該篇文章設(shè)計(jì)了一種發(fā)電鞋墊采集日常運(yùn)動能量，并將能量進(jìn)行存儲用于足背脈搏監(jiān)測設(shè)備的電能補(bǔ)給。
圖4 （a、b）復(fù)合發(fā)電鞋墊輸出功率與負(fù)載匹配關(guān)系;（c）復(fù)合發(fā)電鞋墊給不同規(guī)格電容充電曲線;（d）復(fù)合發(fā)電鞋墊直接供能和儲能原理圖;（e）復(fù)合發(fā)電鞋墊直接驅(qū)動LED燈;（f）復(fù)合發(fā)電鞋墊儲能為微型計(jì)算器供電展示;（g）足背動脈監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
相關(guān)工作以“Hybrid Nanogenerator for Biomechanical Energy Harvesting, Motion State Detection, and Pulse Sensing”為題，發(fā)表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.202101332)上。北京航空航天大學(xué)石波璟副研究員、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟研究員為論文共同通訊作者。
延伸閱讀：
《基于摩擦電的能量收集和傳感（TENG）-2020版》
《從微瓦到吉瓦的能量收集技術(shù)及市場機(jī)遇-2020版》
《熱電能量收集及其它零排放熱能發(fā)電-2022版》
《電子產(chǎn)品的無電池化，對IoT、6G、醫(yī)療及可穿戴的市場影響-2021版》
《熱電制冷、加熱及能量收集-2021版》
《可穿戴技術(shù)及市場-2021版》
