可穿戴技术的能量采集

WEI GAO/CALTECH

可穿戴设备和几乎所有其他技术一样，都需要能源。不过，幸运的是，在可穿戴设备适度的电力预算下，能源实际上无处不在。它存在于阳光和无线电波、皮肤的汗液和体温、一个人的动作和脚步声中。如今，技术正在成熟，可以收获大量的能量赠品，将可穿戴设备从需要电池的状态中解放出来。这对一系列公司和研究人员来说似乎很有吸引力。

“能源是我们认为理所当然存在的东西，感觉就像空气一样无所不在。但我们确实需要长期输出这种能源，”Alper Bozkurt说，他与Veena Misra共同领导了北卡罗来纳州立大学先进自供电集成传感器和技术中心（Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies，ASSIST）。

今天最著名的可穿戴能源收集技术当然是太阳能，它从阳光或环境光中提取电子。但太阳能只是刚刚开始。研究人员发现，有多种选择可以获得足够的微瓦能量来更换可穿戴设备的电池。其中包括压电发电机和摩擦发电机，它们利用机械应变和材料的静电特性来发电。同时，众所周知的电磁感应现象会产生颠簸、跳跃和大步，产生微小但仍然有用的电流。

虽然可穿戴设备通常不需要太多电力，但可穿戴设备必须易于佩戴。一个装有巨大太阳能电池板的背包在技术上可能可行，但在现实中不行。

需求和能源的多样性在最近的一系列能源收集研究中显而易见，包括一些整合多种模式的混合工作。

加州理工学院的Wei Gao开发了一种自供电的“电子皮肤”。他说，电子皮肤是一种直接应用于皮肤的传感器嵌入式设备，用于读取和传输心率、体温、血糖和代谢副产物等健康指标。

Gao说：“个性化医疗可以彻底改变传统医疗实践。但要结合许多不同类型的传感器，我们需要不同的材料设计和工具。其中最重要的是能量存储（和发电）。”

Gao的第一款电子皮肤于2020年4月生产，由柔软柔韧的橡胶制成，它利用患者的汗水为设备提供动力。该设备使用内置的燃料电池，吸收汗液中的乳酸，并将其与大气中的氧气结合，生成水和丙酮酸盐。通过这个过程，生物燃料产生了足够的电力，为电子皮肤的传感器和数据传输提供动力，将电容器从1.5伏持续充电到3.8伏，持续充电约60小时。（对于电容器来说，电压转化为存储的电子——电容器两端的电压降与其总电荷成比例。）

几个月后，Gao和他的团队开发了一个电子皮肤模型，该模型利用运动产生的动能来产生摩擦电，即从不同静电性质的材料的相对运动中释放电流。这种第二代电子皮肤夹着聚四氟乙烯、铜和聚酰亚胺薄片，随着人的移动而滑动，产生0.94毫瓦的最大功率。

团队接下来将转向3D打印。在9月份发表在《科学进展》杂志上的一项研究（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6492）中，他们3D打印了一种名为e3皮肤（表流体弹性电子皮肤）的多模式健康跟踪系统的基本组件——物理传感器、化学传感器、微流体和超级电容器。

该平台使用了传感器阵列、水凝胶涂层电极等，以及由太阳能电池供电的微型超级电容器。Gao说，3D打印的精度使研究人员能够创建用于健康状况早期预警和诊断的定制组件。

许多关于可穿戴技术的讨论都集中在健康或其他人类需求上。但由于目前的技术还不够，生物学家们也在研究用于追踪动物的能量采集。电池的能量总是不及动物 —— 太阳能对夜间活动的动物或弱光环境中的生物不起作用。一个从跑步者晚间慢跑中获取能量的小装置显然不适用于重达一吨的大型野牛。

这些挑战激发了哥本哈根大学、丹麦技术大学和德国马克斯·普朗克动物行为研究所的研究团队，为他们的目的构建一个更好的可穿戴尺寸生成器：理想情况下，跟踪野生动物的一生。目前，对于大多数哺乳动物来说，使用电池和太阳能设备是无法实现这一目标的。

在5月份发表在PLoS One上的研究（https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0285930 - sec010）中，他们详细介绍了Kinefox，一种野生动物只需通过移动就能充电的GPS跟踪器。该团队用三种动物测试了他们的设备：四只家狗、一匹埃克斯穆尔小马和一头欧洲野牛。

该团队的灵感来源于自18世纪末以来一直存在的自动上弦手表，它将手腕运动转化为能量。因此，研究人员购买了一款为可穿戴和物联网设备设计的商用微型发电机，名为Kinetron MSG32。他们将其与锂离子电容器和定制的GPS追踪器相结合，该追踪器通过Sigfox低功耗无线网络传输数据。

马克斯·普朗克动物行为研究所的客座科学家Troels Gregersen说：“我们想把已经创造出来的东西进行调整使其适用于动物追踪，尽管它最初并不是为此而设计的。”

研究人员的第一个版本将Kinefox安装在动物现有的项圈和背带上，以便观察和学习。

然而，Gregersen说：“我们给野牛戴上的第一个项圈立即被摧毁了。它们是900公斤重的动物，又在奔跑。这在人类可穿戴设备中不是一个用例。”

根据第一个版本的结果，该团队最终创建了一个自定义跟踪器和项圈。他们将微型发电机的钟摆式自动手表机芯粘在一个铁磁环上，将组合放在一圈铜线周围。当钟摆随着动物的运动来回摆动时，环在线圈中产生交流电，电压倍增电路将其转换为直流电。

Gregersen说：“当动物出生时，可以放置一次追踪器，这很有价值。如果某个东西可以传输新类型的数据，或者它可以持续更长的时间，那么它的应用就具有价值。”

Kinefox是开源的，文件发布在GitHub上。并且，马克斯·普朗克的研究人员表示，传统的野生动物跟踪器的价格为3500至4000欧元，而Kinefox的材料价格约为270欧元。Gregersen说，该团队正在与总部位于荷兰蒂尔堡的Kinetron公司进行谈判，以生产专门为动物设计的微型发电机。

展望未来，一些研究人员专注于将独特的材料结合起来，并用更可持续的材料创建能源收集系统。包括日本东北大学研究人员（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2300163X?via%3Dihub）在内的一个团队最近开发了一种耐用、高效的能量采集器，该采集器将压电复合材料与碳纤维增强聚合物（CFRP）相结合。

该小组使用CFRP、铌酸钠钾（KNN）纳米颗粒和环氧树脂制造了他们的设备。东北大学研究生、该研究的合著者Yu Yaonan说，即使使用了10万次，该设备仍然可以储存它产生的电力。

Yu说，这种强度和能量产生的结合可以用于几种类型的可穿戴设备和物联网应用，包括加固桥梁和高速公路的基础设施系统，当出现裂缝、坑洞或其他损坏时，这些系统可以感知。

另外，ASSIST中心的Bozkurt表示，最佳应用领域将是数据分析，以及匹配能量收集能力，以收集和传输用户真正需要的数据。