未來很快有“永不斷電”的可穿戴電子設備

也許沒有永不失聯(lián)的愛，但未來很快有 “永不斷電” 的可穿戴電子設備。

可穿戴電子設備的功耗較低，在 100 納瓦（nW）到 10 毫瓦（mW）之間，可利用電池模塊為其供電。

雖然在電量耗盡后，電池模塊可以循環(huán)充電，但其續(xù)航時間有限。

如果在使用可穿戴設備的關鍵時刻，出現(xiàn)突然沒電的情況，那就很麻煩。例如，徒步者在深夜前行，但如果智能手表突然沒電，難免讓人揪心。

怎樣才能避免沒電的意外情況呢？

辦法有兩種：改進電池性能；采用新的供電方式。

哈爾濱工業(yè)大學團隊成功開發(fā)出一種微小的柔性 “腕帶”，這是一種能量轉化裝置。該裝置能把來自人體皮膚的熱量轉化為電能，只要環(huán)境溫度低于體溫，就可以為電子設備實時供電。

這項研究的相關研究論文，于 4 月 29 日發(fā)表在《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜志上。哈爾濱工業(yè)大學（深圳）材料科學與工程學院教授張倩是該論文的通訊作者。

什么是 TEG（熱電發(fā)電機）呢？TEG 也被稱為溫差發(fā)電器，是一種固態(tài)器件，利用塞貝克效應將熱能直接轉化為電能。

熱電發(fā)電機（TEG）擁有以下優(yōu)良性能：運行安靜無噪音、便于攜帶、可靠性高、且無工作流體和運動部件，它有望作為傳統(tǒng)電池的替代品，提供一種全新的供電方式。

該領域潛力巨大、前景廣闊，因為TEG 可以回收能源，而這些能源通常作為廢熱而損失，TEG的應用可幫助提高能源利用率。

與傳統(tǒng)發(fā)電機不同，傳統(tǒng)電機使用動能發(fā)電，需要定期維護移動部件。而熱電發(fā)電機沒有移動部件，基本上無需維護，可謂”輕裝上陣，簡單便捷“。

而且，TEG發(fā)電機還可為偏遠山區(qū)的機器和空間探測器提供能源，只需安裝在相關設備上即可，可以大大減少人力維護成本。

傳統(tǒng)的 TEG 通常是剛性的，不能彎折。雖然有機熱電材料不是剛性的，能夠在一定程度上彎曲，但其彎曲性能尚未滿足應用需求。

可發(fā)電腕帶成功點亮 LED 燈

為了克服這一限制，即增加TEG的彎曲性能，使設備更適應可穿戴設備，張倩和她的團隊設計了一個自供電的電子系統(tǒng)原型，該原型有極佳的彎曲性能。

這一電子系統(tǒng)原型來之不易，經(jīng)過多種材料組合測試后，張倩及其團隊又對方案進行多次改進，最終才得到了與設想最接近的柔性熱電發(fā)電機（FTEG ）設計。

該設計是一條長 115 毫米，寬度約 30 毫米的腕帶，它利用人的皮膚溫度和環(huán)境室溫之間的差異來產(chǎn)生能量。實驗效果令人滿意，該設備每平方厘米可產(chǎn)生 20.6 微瓦的電，足以點亮與腕帶相連的 LED，可滿足大部分可穿戴電子設備的用電需求。

大部分 FTEG 是以硅橡膠為基體，最常用的材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

而該研究采用了低熱導的多孔聚氨酯基體，不僅增大了基體與熱電材料結合力，還增大了器件內(nèi)部溫差使器件具有更高的輸出功率。此外，這種多孔聚氨酯基質質量更輕，穿戴起來更加方便。這樣一來，更有利于滿足市場需求，實現(xiàn)產(chǎn)品落地。

為了得出理想的設計原型，研究人員設計出了一種裝置，該裝置由熱電腿和柔性電極組成，具有 18 對 TE 支腿、總電阻為 230 毫歐姆（mΩ）。

團隊最終通過實驗測得：在 289K 的環(huán)境溫度下，F(xiàn)TEG 可提供電壓，且每平方厘米高達 20.6 微瓦。

此外，研究人員還采用 FPCB 工藝，制備了復合電極。具體來說，是銅（Cu）/ 聚酰亞胺（PI）復合電極，這種復合電極的耐彎折性極佳。

該復合電極具有其優(yōu)越性：一般銅膜電極以曲率半徑為 1mm 彎曲 10 次后就會破裂，但 Cu/PI 復合電極在不同彎曲方向、不同的彎曲半徑（ 40mm ~ 10mm）表現(xiàn)出極佳的可靠性。

例如，在 “13.4 mm 的半徑彎曲一萬次” 這項測試中， Cu/PI 復合電極沒有發(fā)現(xiàn)明顯的性能變化。

最后，借助升壓裝置，可以成功把來自人體手臂的熱能轉化為電能，不間斷地為 LED 小燈供電，讓可穿戴電子設備實時供電、永不斷電！

為智能手表和脈沖傳感器等電子產(chǎn)品供電

張倩及其團隊希望探索這些可靠的發(fā)電機，希望小型溫差發(fā)電器能夠取代健身跟蹤器、智能手表和生物傳感器這些設備中的傳統(tǒng)電池。

測試表明，該柔性熱電發(fā)電機至少經(jīng)受一萬次重復彎曲，但性能沒有顯著變化。此外，市售的 TEG 嚴重依賴稀有金屬碲，新的設計部分采用鎂基材料，可以大大降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。

該原型器件已經(jīng)有良好的性能，如果被引入市場，使用適當?shù)碾妷?a target="_blank">轉換器，可以為電子產(chǎn)品供電，例如智能手表、脈沖傳感器、可穿戴發(fā)光衣服等設備。

進一步，有望通過增加腕帶上 TEG 的尺寸并集成電壓轉換器，以使其為更大的電子設備供電，盡管這樣做將需要增加整個設備的尺寸

“體溫發(fā)電機” 可助力環(huán)保和醫(yī)療行業(yè)

可穿戴電子設備相關科技發(fā)達的今天，清潔能源短缺、碳排放超標是令人頭疼的問題，因為環(huán)保已是全球刻不容緩的議題。

人們在考慮環(huán)保時，還要考慮經(jīng)濟模式和經(jīng)濟效益。例如，碳捕獲和碳封存技術有幾十年的發(fā)展史了，已經(jīng)很成熟了，為什么世界各國在面對碳中和目標時，感到壓力巨大？因為缺少長期和持續(xù)的盈利模式。

可以說，在環(huán)保之路上，技術是個問題，但它已不是最關鍵的問題。承載技術的產(chǎn)品，可以在適當?shù)纳虡I(yè)模式下，持續(xù)而長久的盈利，才是能讓技術落地的關鍵所在，也是實現(xiàn)環(huán)保目標的重要保障。

人類對綠色能源的需求越來越大，TEG 正好適合，因為它們可以將浪費的熱量轉化為動力。雖然太陽能具有非常普及的應用，但是它只能在有太陽時才能利用，但 TEG 可以在許多情況下，只要存在溫差就能產(chǎn)生能量。

TEG 能廣泛地應用于可穿戴電子設備，除了助力人們?nèi)粘Ｉ?，還能為人們健康保駕護航。例如 TEG 如果應用于可穿戴心電儀，將為人們?nèi)粘５男碾姳O(jiān)測提供更穩(wěn)固可靠的保障。

心電監(jiān)測智能手表已經(jīng)問世，它具有可穿戴設備的便利性，并且能夠提供接近醫(yī)療設備的精度。2018 年，蘋果的帶有心電圖 (ECG) 功能的 Apple Watch 已經(jīng)問世，并且該功能已經(jīng)通過 FDA 認證。隨后，健康設備公司 Withings 也宣布計劃發(fā)布一款配有心電圖功能的手表。

目前，可穿戴心電圖監(jiān)測設備仍處于研發(fā)階段，換句話說，目前的檢測設備，只有一個傳感器，而真正有實用醫(yī)療價值的心電圖檢測設備，則有 12 個傳感器。當然，現(xiàn)在還沒有任何一種可穿戴心電檢查設備，能夠診斷心臟病。

即便如此，在此我們完全可以暢想，將來心電監(jiān)測智能手表如果能成功搭載 TEG 技術，那么將給人類健康帶來巨大的改變。

原文標題：哈工大開發(fā)出小型 “腕帶”，每平方厘米可產(chǎn)生20.6微瓦電能，可點亮LED

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責任編輯：haq