可穿戴微电网——能利用人体能量为小型设备持续供电
发布日期：2021/3/18
加利福利亚大学圣迭戈分校（the University of California San Diego）的纳米工程师开发出一种“可穿戴微电网”，可以收集并存储人体的能量来为小型电子设备供电。它主要由三部分构成：汗液驱动的生物燃料电池、运动驱动的摩擦发电机和用于储能的超级电容器。微电网中所有的部件都是柔软且可清洗的，都可以通过丝网印刷在衣服上。
这项技术于 2021 年 3 月 9 日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，设计灵感来源于社区微电网。
“我们正在用微电网的概念来创造可持续、可靠和可独立供电的可穿戴系统，”该论文的共同第一作者，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 说，“这就像城市微电网整合当地多种可再生能源，比如风能和太阳能一样，可穿戴微电网能够整合身体不同部位的能量，将其收集并存储起来。”
构成可穿戴微电网的柔性电子部件由加州大学圣地亚哥分校纳米生物工程学教授、本项研究的通讯作者 Joseph Wang 的纳米生物电子团队开发。每个部件都被丝网印刷在衬衫上，并以一种已经优化了的能量收集量的方式放置。
从汗液中获取能量的生物燃料电池位于衬衫内侧靠近胸口的位置。摩擦发电机是一种将运动产生的能量转化为电能的装置，它被放置在衬衫外侧的前臂和身体两侧，可以从走路或跑步时手臂对躯干的摆动来获取能量。超级电容放置在衬衫外侧的胸口处，它可以暂时存储以上两种设备的能量，然后为小型电子设备供电。
通过同时在运动和汗液中收集的能量，可穿戴微电网能够快速持续地为设备供电。只要使用者开始运动，摩擦发电机就能提供电能，不必等待使用者流汗。一旦使用者开始出汗，生物燃料电池就会开始提供电能，并能在使用者停止运动后继续供能。
“当你把这两者放在一起，它们就会互补，”Yin 说，“它们协同工作的，以实现快速启动和持续供电。”整个系统启动的速度是单独使用生物燃料电池的两倍，使用持续时间则是单独使用摩擦发电机的三倍。
该可穿戴微电网在受试者身上进行了以 30 分钟为一个周期的测试，这其中包括 10 分钟的自行车机上的锻炼或跑步，然后休息 20 分钟。在一个周期内，系统提供的电能可为一块液晶手表或一个小型电致变色显示器（ECD）供电，后者是一种根据电压改变颜色的设备。
研究团队为所使用的生物燃料电池配备了一种酶，它可以催化人体汗液中的乳酸分子和氧分子之间的电子交换，产生电能。Wang 的团队在 2013 年发表的一篇论文中首次报道了这种使用汗液发电的可穿戴设备。他们与加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心（Center for Wearable Sensors）的同事们合作，将这项技术进行了升级，使其具有延展性，并提升了功率以便运行小型电子设备。
摩擦发电机由放在前臂的负电荷材料和放在身体两侧的正电荷材料构成。当手臂在走路或跑步过程中摆动时，带相反电荷的材料就会相互摩擦并产生电能。
每种可穿戴设备都提供不同类型的电能。生物燃料电池提供连续的低电压，而摩擦发电机则是提供高电压脉冲。为了使这套系统能给设备供电，需要将这些不同的电压组合并调节成稳定的电压。这就是超级电容器的作用所在：它充当着水库的角色，暂时储存这两种设备产生的能量，并在需要时释放电能。
Yin 将这种设置比作供水系统。
“想象一下，生物燃料电池就像一个缓慢流水的水龙头，摩擦发电机就像一根水流会从中喷涌而出的水管，”他说，“超级电容器就是它们输入的容器，你可以从容器中抽取任何你需要的水量。”
所有部件都是用柔软的银连接，这种材料也同样用于衬衫的印刷，并用一层防水涂层保持绝缘。每个部件的性能都不易因弯曲、折叠或揉皱而受到影响，而且只要不使用洗涤剂，也不会因水洗而受到影响。
Yin 说，这项工作的主要创新点并不是可穿戴本身，而是整合所有设备的系统和这整套设备的高效集成。
“我们并不是随便将 A 和 B 组合在一起，就把它称为系统。我们所选的部件都具备兼容的性质（所采用的所有部件都可丝网印刷、柔软、可拉伸）；互相匹配的性能；以及互补的功能。这意味着它们都适用于相同的场合（在这种情况下，严格来说是运动场合）。”他说。
这套特殊的系统对于运动员和其他经常运动的用户是非常有用的。但这只是可穿戴微电网的其中一个应用。“我们不会仅仅局限在这一种设计。我们会根据不同的场景选择不同类型的能量采集器来适应这套系统。”Yin 说。
研究人员正在研发其他的设计，以便在使用者坐在办公室或在室外闲逛时也能收集能量。
来源 ：加州大学圣迭戈分校
