如何利用人体热量供电的柔性热电发电机及能量管理系统

尽管可穿戴设备有可能彻底革新人机交互，但它的广泛采用受到不间断、高效的能源供给的极大制约。这类设备需要为数据密集型传感和传输提供可靠的能源，这进一步加剧了这一挑战。传统的热电解决方案在极低的电压条件下无法达到令人满意的性能。

据麦姆斯咨询报道，近日，丘陵山区农业装备重庆市重点实验室、西南大学 、北京理工大学、上海交通大学医学院附属瑞金医院上海市创伤骨科研究所以及伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，UIUC）吉斯商学院（Gies College of Business）等多所高校和科研单位成立的一支科研团队提出了一种集成了能量管理系统（EMS）的可穿戴热电发电机（TEG）的最新解决方案，该方案可利用人体热量为传感器和蓝牙供电。相关研究成果以“Flexible thermoelectric generator and energy management electronics powered by body heat”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

与之前的研究不同，该团队的创新之处在于使热电发电机能够在人体皮肤和周围环境间很小的温差下（即4 K）持续工作，确保在短至1.6s的时间内可靠地传输数据 。此外，该新系统可以在超低电压（30 mV）条件下利用人体热量充电，为不依赖电池的自供电可穿戴设备连续、可靠地监测提供了新途径。该研究的主要贡献如下：（1）创新的能量管理系统：研究人员通过能量管理（EM）电路和超级电容器，有效地控制和利用了热电发电机的不一致输出，实现了器件在较低温差下的运行，显著提高了可用性。（2）系统集成和通用性：研究人员将热电偶和能量管理电子器件集成在同一聚酰亚胺（PI）衬底上，减轻了界面效应，提高了柔性热电发电机的归一化功率密度，提高了能量转换能力。该系统设计为从30 mV起步工作，扩展了各种热电器件的兼容性，简化了自供电可穿戴健康监测系统的部署。

该研究提出的是一种以人体热量作为供能的可穿戴健康监测手环（图1a）。该手环集成了柔性热电发电机（FTEG）、可穿戴能量管理电子器件、蓝牙低功耗（BLE）无线芯片组、传感器和外围电子器件（原型如图1b的插图所示），可以佩戴在手腕上（图1b）。在室温下，碲化铋基合金材料是具有良好性能的优选热电材料。三碲化二铋（Bi2Te3）热电颗粒被选为柔性热电发电机的基本构建块，以创建皮肤和环境之间的温差来发电。P型和N型三碲化二铋颗粒交错排列，采用聚酰亚胺膜作为柔性衬底，底部和顶部的聚酰亚胺与铜电极连接，形成π型结构，以实现柔性热电发电机的电连接（图1c）。

图1 集成柔性热电发电机和能量管理系统的自供电可穿戴手环

传感器实时采集皮肤温度数据，并通过蓝牙链路无线传输至新开发的健康监测移动应用终端，实现人体温度实时监测（图1e）。柔性电路使用聚酰亚胺膜作为衬底，从而实现柔性热电发电机、能量管理系统、传感器、蓝牙低功耗和外围电子器件的完全柔性集成。新型集成能量管理系统的健康监测手环与发电机的发电性能相匹配，因此柔性热电发电机可以在较低的温差下稳定工作，克服了传统可穿戴设备对电池维护的限制。

目前的柔性热电发电机通常不关注器件电极排布中的应力流。在实际应用中，柔性器件在使用过程中需要弯曲。P型和N型热电颗粒和电极在弯曲过程中受到较大的应力变化。因此，研究人员从应力流的角度分析了传统的电极排布后，提出了一种低应力电极排布方案。

研究人员比较了柔性热电发电机的两种电极排布在不同挠度下的应力分布，设置了铜电极的应力阈值，并分别计算了柔性热电发电机不同挠度下电极数量与总电极数量的比值（图2a、b）。传统的电极排布的阈值比明显高于该研究中使用的电极排布的阈值比（图2c）。从应力分布图中可以明显看出，传统的电极排布在弯曲状态下受到更大的应力，这不利于高柔性需求的可穿戴场景。因此，在设计柔性可穿戴设备时，应根据使用条件进行应力分析，使器件能够在低应力状态下工作，提高器件的耐久性。

图2 柔性热电发电机的设计与仿真

随着柔性热电发电机包括后端能量管理系统、数据采集和无线传输电子器件的完整和灵活集成，研究人员开发了一种适用于人类健康监测的柔性手环（图3a）。柔性热电发电机的功能基于人体皮肤和周围环境之间的温差，其输出电流和电压随着温度梯度增大而增加（图3b）。在正常状态下，当温差为2 K时，柔性热电发电机提供89 mV的稳定输出电压 ，电流为3 mA，该如此小的温差下，实现了可靠的供电。柔性热电发电机输出极性连接到能量管理系统。无论柔性热电发电机输出电压的极性是正极还是负极，能量管理系统都能正常工作，解决了柔性热电发电机冷端和热端反转导致输出电压极性反转的问题（即使环境温度高于人体温度，只要温差达到2 K，集成了能量管理系统的柔性热电发电机就可良好运转）。

图3 小温差下能量管理电子器件的性能

为了评估柔性热电发电机在实际应用中的性能，研究人员构建了一个柔性热电测试平台（图4a）。水浴加热平台和烧杯作为热源，冷凝器管帮助冷端冷却。并在冷端和热端固定有铝箔，以确保整个柔性热电发电机的温度分布的均匀性。研究人员通过调节水浴和冷凝液温度来调节热端和冷端之间的温差。

研究人员通过改变温差，在平面和弯曲状态下对柔性热电发电机进行了热电性能测试（图4b为平面状态下的数据，图4c为弯曲状态下的数据）。研究人员设定的弯曲半径为30 mm，相当于成年男性手腕的平均半径。研究人员通过比较平面状态和弯曲状态下的内阻数据，观察到当温差超过5 K时，柔性热电发电机在平面状态下的内阻约为15Ω ；然而，当手环被穿戴处于弯曲状态下时，内阻增加到约60Ω，因此，与未弯曲的状态相比，柔性热电发电机在弯曲状态下的输出功率降低到约五分之一。

图4 柔性热电发电机平面和弯曲状态下的性能测试

综上所述，在该研究中，研究人员提出了一种完全柔性的人体热量驱动的自供电健康监测可穿戴设备，该设备集成了柔性热电发电机和能量管理电子器件。柔性热电发电机捕获人体热能并将其转换为电能，为柔性热电发电机量身定制的能量管理系统可以实现高效的能量管理，为后端传感器和无线传输模块供电，实现稳定的人体温度实时监测。此外，研究人员从应力流的角度对柔性热电发电机电极排布进行了深入分析，并引入了低应力电极排布。与传统的π型结构相比，在穿戴状态下电极应力显著降低，大大提高了器件的可靠性。

研究人员证明，新开发的柔性热电发电机和能量管理系统可以在正常和穿戴状态下，分别在2 K和4 K的温差下为传感器和蓝牙低功耗供电。仿真的人体热量驱动的柔性热电发电机和能量管理系统能够为物联网（IoT）的“自我意识”场景提供可靠、不间断的健康状态监测，为更可靠、更环保的可穿戴设备提供了机会。研究人员注意到，在可穿戴应用中，对更安全的热电材料的需求将推动未来的研究，使其朝着增强生物相容性和改进器件结构设计的方向发展。此外，能量管理方法的适应性值得探索，以增强最先进的柔性热电发电机的实际应用，例如先进的热电纤维和颗粒，以用于实时健康监测。

审核编辑：刘清