自發(fā)電設(shè)備：可穿戴設(shè)備的能量收集技術(shù)取得重大進(jìn)展

和其他幾乎所有科技產(chǎn)品一樣，可穿戴設(shè)備需要能量。幸運(yùn)的是，可穿戴設(shè)備的電量消耗不大，而且能量可以說(shuō)無(wú)處不在。它存在于陽(yáng)光和無(wú)線電波中，皮膚的汗液和體溫中，人體的運(yùn)動(dòng)和行走腳步中。如今，相關(guān)技術(shù)正在成熟，能夠獲取相當(dāng)數(shù)量的這種免費(fèi)能量，將可穿戴設(shè)備從電池中解放出來(lái)，這對(duì)許多公司和研究人員頗具吸引力。 “很多人都認(rèn)為能量是理所當(dāng)然的，只需將設(shè)備插到墻上的電源插座上，能量就會(huì)像空氣一樣自然存在。但我們確實(shí)需要生產(chǎn)能量?！迸c維納琴?米斯拉（Veena Misra）共同領(lǐng)導(dǎo)北卡羅萊納州立大學(xué)集成傳感器高級(jí)自供電系統(tǒng)與技術(shù)中心（ASSIST）的阿爾珀?博茲庫(kù)爾特（Alper Bozkurt）說(shuō)。

當(dāng)今最知名的可穿戴設(shè)備能量收集技術(shù)當(dāng)然是太陽(yáng)能，它可以從陽(yáng)光或環(huán)境光照中提取電子。但太陽(yáng)能只是序幕。研究人員發(fā)現(xiàn)，我們其實(shí)有很多以微瓦功率獲取能量的選擇，可以取代可穿戴設(shè)備中的電池。其中，壓電和摩擦發(fā)電機(jī)利用了機(jī)械應(yīng)力和材料的靜電特性來(lái)發(fā)電。同時(shí)，眾所周知的電磁感應(yīng)現(xiàn)象可收集碰撞、跳躍和跨步產(chǎn)生的微弱但有用的微小電流。

可穿戴設(shè)備雖然通常不需要太多電量，但必須易于佩戴。一個(gè)裝有一大塊太陽(yáng)能電池板的背包在技術(shù)上是可行的，在現(xiàn)實(shí)中卻并不實(shí)用。比如，一個(gè)輕型人體健康傳感器對(duì)于想要追蹤野牛生活的生物學(xué)家毫無(wú)用處。

在最近的一系列能源收集研究中，需求和能源的多樣性是顯而易見(jiàn)的，包括一些集成多種形態(tài)的混合工作成果。

加州理工學(xué)院的高偉（Wei Gao，音）開(kāi)發(fā)了一種自供電的“電子皮膚”。他說(shuō)，電子皮膚是一種直接應(yīng)用于皮膚的嵌入式傳感器設(shè)備，可讀取和傳遞心率、體溫、血糖和代謝副產(chǎn)物等健康指標(biāo)。

“個(gè)性化醫(yī)療可以徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療實(shí)踐?！备邆フf(shuō)，“但要結(jié)合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設(shè)計(jì)和工具。其中最重要的考慮因素是儲(chǔ)能（和發(fā)電）?！?/p>

高偉的第一款電子皮膚生產(chǎn)于2020年4月，由柔軟且有彈性的橡膠制成，它利用了患者的汗水來(lái)為設(shè)備供電。該設(shè)備使用內(nèi)置燃料電池，可吸收汗液中的乳酸并與大氣中的氧氣結(jié)合，從而生成水和丙酮酸鹽。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，生物燃料可生產(chǎn)足夠支持電子皮膚傳感器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娔埽⒖蛇B續(xù)不斷地將電容器從1.5伏充電到3.8伏，持續(xù)充電約60小時(shí)。（在電容器中，電壓可理解為存儲(chǔ)的電子，電容器的電壓降低與其總電荷是成比例的。）

幾個(gè)月后，高偉和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了另一款電子皮膚，該裝置利用了運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生摩擦電，產(chǎn)生的電流來(lái)自具有不同靜電特性材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種二代電子皮膚將聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片夾在一起，隨著人體的移動(dòng)，薄片之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，最大功率可達(dá)0.94毫瓦。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了3D打印。在2023年9月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的一項(xiàng)研究中，他們采用3D打印的方法，打印了被稱為e3皮膚（外流柔性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統(tǒng)的基本組件，包括物理傳感器、化學(xué)傳感器、微流體和超級(jí)電容器等。

該平臺(tái)使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極，以及由太陽(yáng)能電池供電的微型超級(jí)電容器。高偉說(shuō)，依靠3D打印的精度，研究人員可定制用于健康狀況早期預(yù)警和診斷的組件。

許多關(guān)于可穿戴技術(shù)的探討都集中在健康或其他人類需求上。但生物學(xué)家也在研究用于追蹤動(dòng)物的能量收集技術(shù)，因?yàn)槟壳凹夹g(shù)尚有不足，電池會(huì)在動(dòng)物死亡之前耗盡。太陽(yáng)能不適用于夜間活動(dòng)的動(dòng)物或低光照環(huán)境中的生物。收集傍晚慢跑能量的小型設(shè)備顯然不適用重達(dá)一噸的大型野牛。

這些挑戰(zhàn)激發(fā)了哥本哈根大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和德國(guó)馬克斯?普朗克動(dòng)物行為研究所的研究團(tuán)隊(duì)制作更好的可穿戴設(shè)備大小的發(fā)電機(jī)，用于其研究目的：在理想情況下，跟蹤野生動(dòng)物的一生。目前，對(duì)于大多數(shù)哺乳動(dòng)物而言，使用電池和太陽(yáng)能供電的設(shè)備均無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

2023年5月在《公共科學(xué)圖書(shū)館?綜合》（PLoS One）上發(fā)表的研究中，他們?cè)敿?xì)介紹了一種名為Kinefox的GPS跟蹤器，野生動(dòng)物只需移動(dòng)就可以給它充電。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)四只家犬、一匹埃克斯穆?tīng)栃●R和一頭歐洲野牛共三種動(dòng)物測(cè)試了他們的設(shè)備。

該團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)自從18世紀(jì)以來(lái)就存在的自動(dòng)上弦手表，它可以將佩戴者的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為能量。因此，研究人員購(gòu)買了一款用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的商用微型發(fā)電機(jī)，名為Kinetron MSG32，將其與一個(gè)鋰離子電容器和一個(gè)定制的GPS跟蹤器結(jié)合起來(lái)，該跟蹤器可以通過(guò)Sigfox低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

“我們想利用現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物跟蹤，盡管它們并不是為了這一目的而設(shè)計(jì)的?！瘪R斯克?普朗克動(dòng)物行為研究所的客座科學(xué)家特勒爾斯?格雷格森（Troels Gregersen）說(shuō)。

研究人員的第一個(gè)版本將Kinefox安裝在動(dòng)物現(xiàn)有的項(xiàng)圈和背帶上，以便觀察和研究。

不過(guò)，格雷格森說(shuō)：“我們給野牛戴上的第一個(gè)項(xiàng)圈立刻被毀壞了。這些重達(dá)900公斤的動(dòng)物會(huì)奔跑撞樹(shù)。人類可穿戴設(shè)備中沒(méi)有這種用例?！?/p>

根據(jù)第一個(gè)版本的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)最后定制了一個(gè)跟蹤器和項(xiàng)圈。他們將基于自動(dòng)手表機(jī)芯活動(dòng)部件的微型發(fā)電機(jī)鐘擺粘在一個(gè)鐵磁環(huán)上，將該組合放在一個(gè)銅線圈周圍。隨著動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，鐘擺來(lái)回?cái)[動(dòng)，鐵磁環(huán)在線圈中產(chǎn)生交流電，倍壓電路在轉(zhuǎn)換為直流電。

“在動(dòng)物出生時(shí)，或者在讓它安靜一次的情況下，一次性地放置追蹤器是非常有價(jià)值?！备窭赘裆f(shuō)，“如果它可以傳輸新的數(shù)據(jù)類型，或者比其他設(shè)備持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，那么它就有應(yīng)用空間、有價(jià)值?！?/p>

Kinefox是開(kāi)源的，其文件發(fā)布在了GitHub上。德國(guó)馬克斯?普朗克動(dòng)物行為研究所的研究人員表示，一般的野生動(dòng)物跟蹤器的成本為3500至4000歐元，而Kinefox的材料成本約為270歐元。

未來(lái)甚至可能不需要自己動(dòng)手設(shè)計(jì)。格雷格森說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)正在與總部位于荷蘭蒂爾煲的Kinetron討論生產(chǎn)專門為動(dòng)物設(shè)計(jì)的微型發(fā)電機(jī)，而不是自動(dòng)上弦手表。

展望更廣闊的未來(lái)，一些研究人員專注于將獨(dú)特的材料集合起來(lái)，用更加可持續(xù)的材料制造能量收集系統(tǒng)。日本東北大學(xué)的一個(gè)研究小組最近采用壓電復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）組合材料，開(kāi)發(fā)了一種耐用、高效的能量收集器。

該小組使用碳纖維增強(qiáng)聚合物、鈮酸鈉鉀納米顆粒和環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)制造設(shè)備。日本東北大學(xué)的研究生、該研究的合著者余耀南（Yaonan Yu，音）表示，該設(shè)備即使使用10萬(wàn)次，仍然能存儲(chǔ)所產(chǎn)生的電力。

余耀南說(shuō)，這種強(qiáng)度和能量生產(chǎn)相結(jié)合，可以用于多種類型的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，能夠在加固橋梁和高速公路中感知出現(xiàn)的裂縫、坑洞或其他損壞。

ASSIST中心的博茲庫(kù)爾特說(shuō)，其最佳“甜蜜點(diǎn)”是通過(guò)數(shù)據(jù)分析，匹配能量收集能力與用戶真正需要的數(shù)據(jù)收集和傳輸。

“如果我以皮秒為單位來(lái)測(cè)量你的心跳，那會(huì)是一種浪費(fèi)，因?yàn)樾奶鴽](méi)那么快。”他說(shuō)，在一個(gè)項(xiàng)目中，“我們問(wèn)醫(yī)生‘你需要多少數(shù)據(jù)？’他們說(shuō)：‘我們不知道。我們每個(gè)月都會(huì)給病人看病，所以如果獲得的數(shù)據(jù)讀數(shù)多于每月一次的收集，那么就是一種進(jìn)步。’這是某些人的觀點(diǎn)。”