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科學家希望通過人體自供電設備來解決電池問題

科學家希望通過人體自供電設備來解決電池問題

多年來我們所使用的電子設備變得越來越小,但是在解決電池這個巨大障礙之前,這種趨勢將無法繼續下去。南加利福尼亞大學電氣工程教授Dina El-Damak表示,電池是任何電子系統的瓶頸。其中一個解決方案是創建自供電設備,從運動和體熱等來源獲得能源,無需內部電池。

對於我們大多數人來說,自供電設備意味著永遠不會對我們的手機或Fitbit充電。大多數研究人員關注的關鍵應用是健康領域,特別是植入式醫療設備,如心臟起搏器等。El-Damak表示:「如果設備依賴電池,更換電池需要手術,所以為醫療設備提供操作是一個巨大的優勢,真的可以影響人們的生活。」這也可以幫助大腦植入物等,就像馬斯克創辦的Neuralink公司希望創造的那樣。目前,大多數大腦植入物無法持續使用五年以上。

自供電設備可以有多種方式工作。一種是壓電能量,當對某些材料施加壓力時,會產生壓電能量。在公眾想象中更常見的另一種方法是通過運動。但是使用一種僅在運動時才工作的設備是不現實的。所以,對於許多研究人員來說,最好的能量來源是體熱或熱電發電。

北卡羅來納州立大學電氣工程師Daryoosh Vashaee稱,熱電發電機可以利用身體與周圍環境之間的溫度差異來產生能量。去年,他的團隊建立了一個很小的設備——一個可以嵌入在襯衫的可穿戴熱電發生器(TEGs)。

Vashaee說,體熱的明顯優點是你不需要做任何事情來發電。但是挑戰是你只能一次收穫很少的能量。「這些設備基本上只需要幾度的溫差,有時只需1度或更少。所以當設計使用少量的熱量來產生有用的電力時,這些設備必須非常有效。」

北卡羅來納州立大學旗下的整合式感測器技術先進自供電系統中心(ASSIST)致力於為醫療保健製造低功耗、無電池的電子產品。ASSIST負責人Veena Misra表示,這個研究小組由國家科學基金會資助,並已經研發了一款健康跟蹤設備的原型。這種體熱裝置由橙色腕帶和胸部貼片組成。腕帶可以監測濕度、溫度,甚至空氣中的有機化合物等指標。貼片跟蹤心率和呼吸頻率等。

科學家表示,也可以通過摩擦產生電力:例如兩塊布料相互摩擦時發生的靜電。這被稱為摩擦帶電效應(Triboelectric effect)。一組科學家已經運用了運動和摩擦帶電效應來創建一種自供電的可穿戴設備。

摩擦帶電效應是普遍的,這意味著任何兩種材料可以在技術上產生這種效果,但某些聚合物可以做到最好。研究人員表示:「材料的選擇性很廣,如紙張、絲綢、纖維、木材、金屬表面及有機材料等。」

去年Indiegogo眾籌平台上出現了一款名為Matrix PowerWatch的智能手錶,這款手錶靠佩戴者的體溫充電。

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