可穿戴技術的能量采集

WEI GAO/CALTECH

可穿戴設備和幾乎所有其他技術一樣，都需要能源。不過，幸運的是，在可穿戴設備適度的電力預算下，能源實際上無處不在。它存在于陽光和無線電波、皮膚的汗液和體溫、一個人的動作和腳步聲中。如今，技術正在成熟，可以收獲大量的能量贈品，將可穿戴設備從需要電池的狀態中解放出來。這對一系列公司和研究人員來說似乎很有吸引力。

“能源是我們認為理所當然存在的東西，感覺就像空氣一樣無所不在。但我們確實需要長期輸出這種能源，”Alper Bozkurt說，他與Veena Misra共同領導了北卡羅來納州立大學先進自供電集成傳感器和技術中心（Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies，ASSIST）。

今天最著名的可穿戴能源收集技術當然是太陽能，它從陽光或環境光中提取電子。但太陽能只是剛剛開始。研究人員發現，有多種選擇可以獲得足夠的微瓦能量來更換可穿戴設備的電池。其中包括壓電發電機和摩擦發電機，它們利用機械應變和材料的靜電特性來發電。同時，眾所周知的電磁感應現象會產生顛簸、跳躍和大步，產生微小但仍然有用的電流。

雖然可穿戴設備通常不需要太多電力，但可穿戴設備必須易于佩戴。一個裝有巨大太陽能電池板的背包在技術上可能可行，但在現實中不行。

需求和能源的多樣性在最近的一系列能源收集研究中顯而易見，包括一些整合多種模式的混合工作。

加州理工學院的Wei Gao開發了一種自供電的“電子皮膚”。他說，電子皮膚是一種直接應用于皮膚的傳感器嵌入式設備，用于讀取和傳輸心率、體溫、血糖和代謝副產物等健康指標。

Gao說：“個性化醫療可以徹底改變傳統醫療實踐。但要結合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設計和工具。其中最重要的是能量存儲（和發電）?！?/p>

Gao的第一款電子皮膚于2020年4月生產，由柔軟柔韌的橡膠制成，它利用患者的汗水為設備提供動力。該設備使用內置的燃料電池，吸收汗液中的乳酸，并將其與大氣中的氧氣結合，生成水和丙酮酸鹽。通過這個過程，生物燃料產生了足夠的電力，為電子皮膚的傳感器和數據傳輸提供動力，將電容器從1.5伏持續充電到3.8伏，持續充電約60小時。（對于電容器來說，電壓轉化為存儲的電子——電容器兩端的電壓降與其總電荷成比例。）

幾個月后，Gao和他的團隊開發了一個電子皮膚模型，該模型利用運動產生的動能來產生摩擦電，即從不同靜電性質的材料的相對運動中釋放電流。這種第二代電子皮膚夾著聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片，隨著人的移動而滑動，產生0.94毫瓦的最大功率。

團隊接下來將轉向3D打印。在9月份發表在《科學進展》雜志上的一項研究（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6492）中，他們3D打印了一種名為e3皮膚（表流體彈性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統的基本組件——物理傳感器、化學傳感器、微流體和超級電容器。

該平臺使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極等，以及由太陽能電池供電的微型超級電容器。Gao說，3D打印的精度使研究人員能夠創建用于健康狀況早期預警和診斷的定制組件。

許多關于可穿戴技術的討論都集中在健康或其他人類需求上。但由于目前的技術還不夠，生物學家們也在研究用于追蹤動物的能量采集。電池的能量總是不及動物 —— 太陽能對夜間活動的動物或弱光環境中的生物不起作用。一個從跑步者晚間慢跑中獲取能量的小裝置顯然不適用于重達一噸的大型野牛。

這些挑戰激發了哥本哈根大學、丹麥技術大學和德國馬克斯·普朗克動物行為研究所的研究團隊，為他們的目的構建一個更好的可穿戴尺寸生成器：理想情況下，跟蹤野生動物的一生。目前，對于大多數哺乳動物來說，使用電池和太陽能設備是無法實現這一目標的。

在5月份發表在PLoS One上的研究（https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0285930 - sec010）中，他們詳細介紹了Kinefox，一種野生動物只需通過移動就能充電的GPS跟蹤器。該團隊用三種動物測試了他們的設備：四只家狗、一匹?？怂鼓聽栃●R和一頭歐洲野牛。

該團隊的靈感來源于自18世紀末以來一直存在的自動上弦手表，它將手腕運動轉化為能量。因此，研究人員購買了一款為可穿戴和物聯網設備設計的商用微型發電機，名為Kinetron MSG32。他們將其與鋰離子電容器和定制的GPS追蹤器相結合，該追蹤器通過Sigfox低功耗無線網絡傳輸數據。

馬克斯·普朗克動物行為研究所的客座科學家Troels Gregersen說：“我們想把已經創造出來的東西進行調整使其適用于動物追蹤，盡管它最初并不是為此而設計的。”

研究人員的第一個版本將Kinefox安裝在動物現有的項圈和背帶上，以便觀察和學習。

然而，Gregersen說：“我們給野牛戴上的第一個項圈立即被摧毀了。它們是900公斤重的動物，又在奔跑。這在人類可穿戴設備中不是一個用例?！?/p>

根據第一個版本的結果，該團隊最終創建了一個自定義跟蹤器和項圈。他們將微型發電機的鐘擺式自動手表機芯粘在一個鐵磁環上，將組合放在一圈銅線周圍。當鐘擺隨著動物的運動來回擺動時，環在線圈中產生交流電，電壓倍增電路將其轉換為直流電。

Gregersen說：“當動物出生時，可以放置一次追蹤器，這很有價值。如果某個東西可以傳輸新類型的數據，或者它可以持續更長的時間，那么它的應用就具有價值?！?/p>

Kinefox是開源的，文件發布在GitHub上。并且，馬克斯·普朗克的研究人員表示，傳統的野生動物跟蹤器的價格為3500至4000歐元，而Kinefox的材料價格約為270歐元。Gregersen說，該團隊正在與總部位于荷蘭蒂爾堡的Kinetron公司進行談判，以生產專門為動物設計的微型發電機。

展望未來，一些研究人員專注于將獨特的材料結合起來，并用更可持續的材料創建能源收集系統。包括日本東北大學研究人員（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2300163X?via%3Dihub）在內的一個團隊最近開發了一種耐用、高效的能量采集器，該采集器將壓電復合材料與碳纖維增強聚合物（CFRP）相結合。

該小組使用CFRP、鈮酸鈉鉀（KNN）納米顆粒和環氧樹脂制造了他們的設備。東北大學研究生、該研究的合著者Yu Yaonan說，即使使用了10萬次，該設備仍然可以儲存它產生的電力。

Yu說，這種強度和能量產生的結合可以用于幾種類型的可穿戴設備和物聯網應用，包括加固橋梁和高速公路的基礎設施系統，當出現裂縫、坑洞或其他損壞時，這些系統可以感知。

另外，ASSIST中心的Bozkurt表示，最佳應用領域將是數據分析，以及匹配能量收集能力，以收集和傳輸用戶真正需要的數據。