永不充电真的可能实现？小米可穿戴设备新专利曝光

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在整体消费市场颓势下，今年可穿戴设备市场增长不可避免地放缓。但得益于相关产品包括智能手表、TWS耳机等产品的持续迭代，可穿戴市场迈向成熟，多家机构预测2023年穿戴市场将重新恢复增长。
 
而在可穿戴设备的技术创新方面，各大厂商也在持续为后续的市场需求作出相应布局。最近北京小米移动软件有限公司的一项关于“一种一体化可穿戴设备”的新专利被授予发明专利权并公布了摘要，就展示了一种新的可穿戴设备形态。

如上图所示，这款一体化可穿戴设备是将眼镜和蓝牙耳机结合起来的产品，看起来平平无奇，跟市面上其他的“智能眼镜”没什么区别。但在眼镜的内部却大有乾坤，专利摘要显示，在眼镜镜架的内部，内置了压电材料和可充电电池的充电组件，通过压电材料受压发电的原理，将人体走动时内置滚珠滚动的机械能转化为电能，从而为镜架中内置的电池进行充电。
 
同时镜架电池通过导线连接到蓝牙耳机上，持续进行供电，在日常使用中可以实现蓝牙耳机的无间断续航，降低用户为蓝牙耳机进行充电的频率，提升用户体验。
 
不过目前在国家专利检索网站上，该专利的细节文件还未公开，一般来说会在专利授权后的几个月内才会进行公开。但我们可以根据摘要中的描述来猜测这款可穿戴设备所使用的技术。
 
从创新的角度来看，小米在专利中描述的这款一体化可穿戴设备，相比目前市面上现有的产品主要的差异点在于其自发电的功能。过往可穿戴设备的其中一个痛点是，尽管已经往低功耗方面持续作出努力，但对于用户而言，定期充电仍是一个较为繁琐的使用方式。
 
而通过压电材料，在可穿戴设备使用过程中进行发电，对于可穿戴设备这种低功耗的产品而言是一个不错的思路。就好比自动上发条的机械手表，在摆脱了定期补能之后，无疑会令消费者对可穿戴设备的接受程度提升一个层次。
 
不过，压电材料的发电效率是否能达到可穿戴设备的需求，过往受到了很多质疑。在很多研究中，利用压电材料制造的可穿戴能量采集器的实际转换效率依然不理想，主要问题一方面在于人类活动的频率较低，对持续供电的能力造成很大的影响，另一方面是材料本身的能量转换效率较低，距离实际应用还有很长的路要走。
 
压电材料的可穿戴应用
 
有意思的是，基于压电材料，今年以来在学术界也有很多在可穿戴设备上的创新研究。
 
今年3月，麻省理工学院的Yoel Fink教授团队尝试使用压电纤维编织而成的织物，可以可用作灵敏的可听麦克风，同时保留织物的传统品质，甚至支持机洗。织物介质由棉经纬纱中的高杨氏模量纺织纱线组成，将可听频率的107个大气压的微弱压力波转换为低阶机械振动模式。织入织物的是热拉伸复合压电纤维，它与织物贴合并将机械振动转换为电信号。
 
在应用中，用这种织物制造的衣服可以实现检测声音的功能，性能与商用麦克风相当，并可以发出声音。在医疗应用中，还可以作为用于心跳监测的可穿戴设备使用。
 
11月，浙江大学谢金教授、英国诺森比亚大学傅永庆教授等人开发了一种基于柔性压电声学的无线系统，具有传感、通信和定位等多种功能。在高频刺激下（≈13MHz），该系统可产生兰姆波用于呼吸监测。而在低频刺激下（≈20kHz），该装置可作为一个振动膜，用于通信和定位应用。该系统的室内通信距离在200 bps时为2.8 m，在25 bps时为4.2 m。结合传感功能，该系统可同时实现实时呼吸监测和无线通信。
 
在实际应用中，这种基于柔性声波器件的智能无线传感系统，具备低功耗、柔性等特点，未来可以应用于智能家居、可穿戴设备、医疗健康监测和多机器人协调等领域。
 
可穿戴设备自供电的另一种解法——TENG
 
而在可穿戴设备自供电的研究上，广西大学王双飞院士团队聂双喜教授课题组近期报道了一种新型的可视化触觉传感器，实现了无需外接电源的自供电触觉反馈。他们设计了一种被称为X-TENG的高输出摩擦纳米发电机，通过对摩擦电材料和器件的结构设计，TENG的转移电荷增强到746 nC，可以轻松驱动光源产生亮度为9.8 cd·m-2的光信号。
 
那么这有什么用呢？在演示的应用中，这种传感器可以在手套上可以实现没有外部电源的情况下，对手掌的抓握状态进行视觉感测和力度反馈，比如当手握住一个物体时，X-TENG能够产生为LED等供电的能量，从而反馈出目前手的状态以及握取的力度。在发电的同时还可以监测出动作力度，这在未来AR/VR等可穿戴设备的人机交互应用中，或许会有很大的应用前景。
 
除此之外，中国西北工业大学的一个团队在今年年初也报道过一种自发电的可穿戴传感器，这是基于微金字塔图案双网离子有机水凝胶的触觉水凝胶传感器(THS)，同样是通过测量摩擦电输出信号的变化来检测细微压力变化，并实现自供电。与其他的类似传感器相比，THS拥有约85%的高透明度、高灵敏度、高柔韧性、高功率密度的电输出（峰值20 µW/cm²）等优势，令这种技术更加适合于可穿戴电子应用。