该系统工作原理在于,通过运动摆臂和流汗产生能量,快速持续地为电子设备供电。

 

2021 年 3 月 12 日,IDC 发布《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告,2020年第四季度》。

 

报告显示,2020 年中国可穿戴设备市场出货量近 1.1 亿台,同比增长 7.5%。市场的发展机遇主要在于三方面:

 

其一,蓝牙耳机和成人手表显著拉动了整体市场的增长,将是未来发展的重要驱动。

 

其二,整体厂商格局依然存在变化空间。

 

其三,头戴音频等新形态逐渐演进,可穿戴设备正在逐渐从腕戴设备向头戴(包含耳戴)设备扩展。

 

 

市场的发展情况由此可窥见一斑,其实在学术界,可穿戴设备也是一个重点关注领域。

 

比如在 2019 年 5 月,韩国首尔国立大学医院曾研制出一款对心室房颤检测准确率达 99.3% 的可穿戴式手环。

 

 

2020 年 10 月,一名德国科隆设计学院人机交互设计和研究专业硕士研究生基于牙套打造了一套简单的可穿戴设备,佩戴上这款设备后,舌头就能代替鼠标操作电脑游戏。

 

 

就在上周,美国科学家们公布了一项该领域的最新进展——直接通过人体收集、储存能量,为电子设备供电。

 

 

确切地说,科学家们设计的不仅是一款设备,而是一种「可穿戴系统」。

 

2021 年 3 月 9 日,相关研究成果发表于学术期刊《自然-通讯》,题为 A self-sustainable wearable multi-modular E-textile bioenergy microgrid system(一种自我可持续的可穿戴多模块电子纺织生物能源微电网系统)。

 

 

论文显示,作者均来自美国加州大学圣地亚哥分校纳米工程系可穿戴传感器中心。

 

1、可穿戴微电网系统

研究团队的着眼点在于可穿戴电子设备的充电问题。

 

论文介绍:

通常,可穿戴设备的充电方式较为频繁且复杂,无法在充电时使用,其电力需求也在不断增长。
 

针对此,科学家们曾经提供过解决方案,即:为可穿戴系统集成能源采集器,比如太阳能电池、摩擦发电机(TEG)和酶/微生物燃料电池(BFC),旨在保证系统能够自我可持续运行。

 

此外还有一个策略是,从人体本身或环境中收集能量,然后将这些能量进行调节,并存储在电池或超级电容(SC)等存储模块中。

 

不过上述策略并非完美无缺,其问题在于,系统操作依赖的不是单一输入源(意味着同样会限制能源可用性),就是多个并不协同的操作同步进行(将引入额外的限制)。此外,一些策略主要依赖外部环境的能量输入(如热电、光伏),这些往往是无法控制的。

 

为此,研究团队提出了「可穿戴电子纺织微电网系统」的概念。

 

简单来讲,这是一种以纺织为基础的多模块系统,由互补、协同的能量采集器和相称的能量存储模块供电。主要原理在于通过运动摆臂和流汗产生能量,快速持续地为电子设备供电。

 

如下图所示,这一系统结合了:

 

由走路或跑步时由躯干摆动运动提供能量的 TEG;

 

由汗液驱动的 BFC;

 

SC 模块,用于调节不同功率需求下可穿戴应用的供电,主要是通过储存两种设备的能量,然后向小型电子设备放电。

 

TEG 位于小臂和两侧腰部附近,BFC 位于胸部。

 

 

据了解,所有部件都是灵活的,并可丝网印刷(一种印刷工艺,指用丝网作为版基,通过感光制版方法制成带有图文的丝网印版)到衣服上。所有部件都通过柔性的银材料连接(银通过防水涂层绝缘)——基于此,每个部件的性能不受反复弯曲、折叠、揉皱、水洗的影响。

 

 

另外论文显示,TEG 和 BFC 是两个基于人类活动的、具有独特且互补能量转换机制的采集器。正如论文共同一作、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院(Jacobs School of Engineering)纳米工程博士生 Lu Yin 所言:

 

当把这两者加在一起时,它们就弥补了彼此的缺点。它们是互补和协同的,可实现快速启动和持续供电。想象一下,BFC 就像一个缓慢流动的水龙头,TEG 就像一根向外喷水的软管。

 

2、人体直接为手表供电

为验证系统的效果,研究团队设计了一个 30 分钟的测试。

 

穿戴上这一设备,被试经历了 10 分钟(7 分钟左右开始出汗)的单车机运动及跑步,手臂摆动频率保持在 1.5 Hz 左右,随后是 20 分钟的休息。

 

 

如上图 c 所示,研究人员将系统与仅靠 TEG、BFC 的情况进行了对比:

 

仅靠 TEG 运行的系统(蓝色线条):在手臂开始摆动后立即能量收集,并在 10 分钟的锻炼过程中持续为 SC 模块充电。运动一停止,TEG 就停止供电,SC 模块缓慢自放电。

 

仅靠 BFC 运行的系统(绿色线条):系统启动缓慢,有 6 分钟的延迟。然而 BFC 能在出汗开始时快速为 SC 模块供电,并在运动停止后 17 分钟实现对 SC 的完全充电。

 

「可穿戴微电网系统」(红色线条):能够补偿启动缓慢和瞬态收获,在 7 分钟内快速充满 SC 模块,并在 30 分钟内保持最大电压。

 

可见,该系统的启动速度是单独使用 BFC 的 2 倍,持续时间是单独使用 TEG 的 3 倍。

 

结果表明,系统能在 30 分钟内为液晶手表或小型电致变色显示器(指用电致变色材料做成的器件,可根据施加的电压改变颜色,主要被应用于仪表显示、户外广告、静态显示等领域)供电。

 

 

据了解,这一设计的灵感来源于城市微电网。Lu Yin 表示:

 

我们应用微电网的概念来创建可持续、可靠、独立供电的可穿戴系统,集成了从人体不同部位收集能量的设备,这就像城市微电网集成了多种当地可再生能源(如风能、太阳能)。
 

所谓城市微电网,可以通过下面这个例子来理解。

 

我国有个珠海东澳岛微电网项目,该项目在最大程度上利用岛上丰富的阳光和风力资源、在最小程度上利用柴油发电,从而提供绿色电力。

 

这一做法的效果显著——东澳岛可再生能源发电比例从 30% 上升至 70%,东澳岛长期的缺电情况也得到了改善。

 

正如 Lu Yin 所说,这项研究的主要创新不是可穿戴设备本身,而在于所有设备的系统性、高效集成性。

 

或许,这一设计将为可穿戴设备的发展带来新的启发。

 

引用来源:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7#Sec1

 

https://techxplore.com/news/2021-03-wearable-microgrid-human-body-sustainably.html