可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？

導讀

摩擦電納米發電機，能採集人體運動的能量，為可穿戴設備進行供電。然而，還是有不少人懷疑其可行性和實用性。然而，最近韓國三星綜合技術研究院的一項最新研究證明：摩擦電納米發電機能夠滿足小型可穿戴設備和攜帶型設備的能耗需求。

關鍵字

摩擦電納米發電機、可穿戴、智能手機、感測器、能量

背景

可穿戴設備、感測器、智能手機等電子設備存在一個普遍問題：電池續航能力有限、需要反覆充電。眾所周知，這是影響設備性能和用戶體驗的一個十分重要的障礙。

為此，科研界和產業界都在不斷改善電池性能，也在積極探索新的能量供應方式，採集外部能量為電子設備供電。這些外部能量包括：太陽能、熱能、機械能等，它們都是而清潔和可再生的。

然而，採集這些能量，並將它們轉化為電子設備可利用的電能，就需要特殊的裝置。上個月，John 曾在《新型摩擦電納米發電機：靈感來源於中華傳統剪紙！》一文中，介紹過一種超輕、菱形剪紙式樣的「摩擦電納米發電機」（TENGs），它就是一種可採集人體運動產生的機械能，並轉化為電能的特殊設備。

（圖片來源於：美國化學會）

摩擦電納米發電機的工作方式很簡單，它從周圍的機械能中採集能量，這些機械能可以由人體運動例如跑步產生。

擦起電現象，是一種很早被人們認識到的自然現象，隨時隨地都可以進行，十分便捷。摩擦電納米發電機，正是基於這一原理。當摩擦發生時，兩層聚合物薄膜之間產生電荷會發生分離，從而形成電勢差，經由外部電路即可形成電流，從而產生電能。

摩擦電納米發電機的發明，為我們開啟了能量採集和供給的新途徑。未來，智能衣服、可穿戴設備、植入式醫療設備等等，都可以利用人體運動進行發電，實現「自供電」。

未來，也許我們將不用再擔心手機沒電，也無需到處尋找插座和充電寶。也許，走上一段路，或者運動一段時間，手機就又會有電了。

研究

然而，對於這麼具有吸引力的前沿創新技術，或許不少朋友不禁會問：

這種摩擦電納米發電機，利用穿戴者日常運動產生的能量，足以給可穿戴電子設備供電嗎？這種設備具有可行性和實用性嗎？

為此，韓國三星綜合技術研究院展開了最新研究，研究論文於本周發表在由美國物理學會出版的《APL材料》雜誌上。下面，我們將介紹一下這項研究的主要內容和關鍵點。

為了提升摩擦電納米發電機「最大可能能量」 （maximum possible energy） ，研究人員主要研究了人體運動的形式，而且他們將人體運動分為兩種類型，分別由速度和彈力來代表。

為了理解運動所產生的能量和電子設備的能耗需求之間的對比，我們看看研究人員論文中的一張圖：

（圖片來源於：參考資料【2】）

（a）：各種電子設備例如平板電腦、智能手機、耳機、智能手錶、運動手環、電子書等等的功率以及一分鐘所消耗的能量。

（b）：人體（身高175厘米，體重68公斤）各部分的運動例如頭部運動、手臂運動、前臂運動、小腿運動、腿部運動、打字以及足球，一分鐘內所消耗的能量。

從上圖中可以分析出：在一分鐘內，摩擦電納米發電機採集的人體運動能量，例如打字或者手臂搖動所產生的，可滿足大部分商用電子設備和可穿戴設備能耗需求。

接下來，研究人員又分類研究了不同形式的運動所產生的能量情況，這裡主要研究了以速度和彈力為代表的運動形式。為了突出重點，我們還是看兩張圖：

第一張圖顯示：基於不同的速度和彈力，會產生不同的動能和衝量，從而引起摩擦電納米發電機最大可能能量 (EMP)的變化 。

（圖片來源於：參考資料【2】）

第二張圖顯示：不同的速度和彈簧常數的情況下，每次運動輸出的能量變化，紅色的部分代表能量很高，藍色的部分代表能量較低。

（圖片來源於：參考資料【2】）

價值

首先，這項研究以具體實踐研究的形式，證明了摩擦電納米發電機能夠利用人體運動的機械能，滿足小型可穿戴設備和便攜設備的能耗需求，可以作為其能量供應源使用。

同時，通過對於設備產生電力的機制仔細研究，他們也發現彈性，一般不作為計算摩擦電納米發電機的最大可能能量值的因素，但是實際上卻可以為提升這個值作出貢獻。

以這項研究為契機，三星的研究人員準備繼續深入地研究這項技術，推動其走向實際應用，進一步提升摩擦電納米發電機的發電能力和供電時間。

對此，三星綜合技術院的研究人員、論文的作者之一的 Hyeon-Jin Shin，如此評論：

「在實際應用中，優化摩擦電納米發電機的輸出能量，是未來的一項任務，因為實際的系統受到很多限制，例如阻抗匹配、頻率控制、和結構的穩定性。然而無論如何，這項研究使我們更加深入理解了摩擦電納米發電機，從而在有限的空間中獲取更多的能量。」

參考資料

【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/can-motion-checking-your-smartwatch-charge-it

【2】Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin, Seongjun Park, "Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator," APL Materials May, 10, 2017 (DOI: 10.1063/1.4979955) http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4979955.

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