自发电设备：可穿戴设备的能量收集技术取得重大进展

和其他几乎所有科技产品一样，可穿戴设备需要能量。幸运的是，可穿戴设备的电量消耗不大，而且能量可以说无处不在。它存在于阳光和无线电波中，皮肤的汗液和体温中，人体的运动和行走脚步中。如今，相关技术正在成熟，能够获取相当数量的这种免费能量，将可穿戴设备从电池中解放出来，这对许多公司和研究人员颇具吸引力。 “很多人都认为能量是理所当然的，只需将设备插到墙上的电源插座上，能量就会像空气一样自然存在。但我们确实需要生产能量。”与维纳琴•米斯拉（Veena Misra）共同领导北卡罗莱纳州立大学集成传感器高级自供电系统与技术中心（ASSIST）的阿尔珀•博兹库尔特（Alper Bozkurt）说。

 

当今最知名的可穿戴设备能量收集技术当然是太阳能，它可以从阳光或环境光照中提取电子。但太阳能只是序幕。研究人员发现，我们其实有很多以微瓦功率获取能量的选择，可以取代可穿戴设备中的电池。其中，压电和摩擦发电机利用了机械应力和材料的静电特性来发电。同时，众所周知的电磁感应现象可收集碰撞、跳跃和跨步产生的微弱但有用的微小电流。

可穿戴设备虽然通常不需要太多电量，但必须易于佩戴。一个装有一大块太阳能电池板的背包在技术上是可行的，在现实中却并不实用。比如，一个轻型人体健康传感器对于想要追踪野牛生活的生物学家毫无用处。

在最近的一系列能源收集研究中，需求和能源的多样性是显而易见的，包括一些集成多种形态的混合工作成果。

加州理工学院的高伟（Wei Gao，音）开发了一种自供电的“电子皮肤”。他说，电子皮肤是一种直接应用于皮肤的嵌入式传感器设备，可读取和传递心率、体温、血糖和代谢副产物等健康指标。

“个性化医疗可以彻底改变传统医疗实践。”高伟说，“但要结合许多不同类型的传感器，我们需要不同的材料设计和工具。其中最重要的考虑因素是储能（和发电）。”

高伟的第一款电子皮肤生产于2020年4月，由柔软且有弹性的橡胶制成，它利用了患者的汗水来为设备供电。该设备使用内置燃料电池，可吸收汗液中的乳酸并与大气中的氧气结合，从而生成水和丙酮酸盐。通过这个过程，生物燃料可生产足够支持电子皮肤传感器和数据传输的电能，并可连续不断地将电容器从1.5伏充电到3.8伏，持续充电约60小时。（在电容器中，电压可理解为存储的电子，电容器的电压降低与其总电荷是成比例的。）

几个月后，高伟和他的团队开发了另一款电子皮肤，该装置利用了运动产生的动能来产生摩擦电，产生的电流来自具有不同静电特性材料的相对运动。这种二代电子皮肤将聚四氟乙烯、铜和聚酰亚胺薄片夹在一起，随着人体的移动，薄片之间会产生滑动摩擦，最大功率可达0.94毫瓦。

接下来，该团队转向了3D打印。在2023年9月发表于《科学进展》的一项研究中，他们采用3D打印的方法，打印了被称为e3皮肤（外流柔性电子皮肤）的多模式健康跟踪系统的基本组件，包括物理传感器、化学传感器、微流体和超级电容器等。

该平台使用了传感器阵列、水凝胶涂层电极，以及由太阳能电池供电的微型超级电容器。高伟说，依靠3D打印的精度，研究人员可定制用于健康状况早期预警和诊断的组件。

许多关于可穿戴技术的探讨都集中在健康或其他人类需求上。但生物学家也在研究用于追踪动物的能量收集技术，因为目前技术尚有不足，电池会在动物死亡之前耗尽。太阳能不适用于夜间活动的动物或低光照环境中的生物。收集傍晚慢跑能量的小型设备显然不适用重达一吨的大型野牛。

这些挑战激发了哥本哈根大学、丹麦技术大学和德国马克斯•普朗克动物行为研究所的研究团队制作更好的可穿戴设备大小的发电机，用于其研究目的：在理想情况下，跟踪野生动物的一生。目前，对于大多数哺乳动物而言，使用电池和太阳能供电的设备均无法实现这一目标。

2023年5月在《公共科学图书馆•综合》（PLoS One）上发表的研究中，他们详细介绍了一种名为Kinefox的GPS跟踪器，野生动物只需移动就可以给它充电。该团队通过四只家犬、一匹埃克斯穆尔小马和一头欧洲野牛共三种动物测试了他们的设备。

该团队的灵感来自从18世纪以来就存在的自动上弦手表，它可以将佩戴者的运动转化为能量。因此，研究人员购买了一款用于可穿戴设备和物联网设备的商用微型发电机，名为Kinetron MSG32，将其与一个锂离子电容器和一个定制的GPS跟踪器结合起来，该跟踪器可以通过Sigfox低功耗无线网络传输数据。

“我们想利用现有的设备和技术进行动物跟踪，尽管它们并不是为了这一目的而设计的。”马斯克•普朗克动物行为研究所的客座科学家特勒尔斯•格雷格森（Troels Gregersen）说。

研究人员的第一个版本将Kinefox安装在动物现有的项圈和背带上，以便观察和研究。

不过，格雷格森说：“我们给野牛戴上的第一个项圈立刻被毁坏了。这些重达900公斤的动物会奔跑撞树。人类可穿戴设备中没有这种用例。”

根据第一个版本的结果，该团队最后定制了一个跟踪器和项圈。他们将基于自动手表机芯活动部件的微型发电机钟摆粘在一个铁磁环上，将该组合放在一个铜线圈周围。随着动物的运动，钟摆来回摆动，铁磁环在线圈中产生交流电，倍压电路在转换为直流电。

“在动物出生时，或者在让它安静一次的情况下，一次性地放置追踪器是非常有价值。”格雷格森说，“如果它可以传输新的数据类型，或者比其他设备持续的时间更长，那么它就有应用空间、有价值。”

Kinefox是开源的，其文件发布在了GitHub上。德国马克斯•普朗克动物行为研究所的研究人员表示，一般的野生动物跟踪器的成本为3500至4000欧元，而Kinefox的材料成本约为270欧元。

未来甚至可能不需要自己动手设计。格雷格森说，该团队正在与总部位于荷兰蒂尔煲的Kinetron讨论生产专门为动物设计的微型发电机，而不是自动上弦手表。

展望更广阔的未来，一些研究人员专注于将独特的材料集合起来，用更加可持续的材料制造能量收集系统。日本东北大学的一个研究小组最近采用压电复合材料和碳纤维增强聚合物（CFRP）组合材料，开发了一种耐用、高效的能量收集器。

该小组使用碳纤维增强聚合物、铌酸钠钾纳米颗粒和环氧树脂来制造设备。日本东北大学的研究生、该研究的合著者余耀南（Yaonan Yu，音）表示，该设备即使使用10万次，仍然能存储所产生的电力。

余耀南说，这种强度和能量生产相结合，可以用于多种类型的可穿戴设备和物联网应用，包括基础设施系统，能够在加固桥梁和高速公路中感知出现的裂缝、坑洞或其他损坏。

ASSIST中心的博兹库尔特说，其最佳“甜蜜点”是通过数据分析，匹配能量收集能力与用户真正需要的数据收集和传输。

“如果我以皮秒为单位来测量你的心跳，那会是一种浪费，因为心跳没那么快。”他说，在一个项目中，“我们问医生‘你需要多少数据？’他们说：‘我们不知道。我们每个月都会给病人看病，所以如果获得的数据读数多于每月一次的收集，那么就是一种进步。’这是某些人的观点。”