科学家研发可穿戴微电网采集人体能量为电子器件供电

时间：2021-03-10 17:25:01 来源：作者：网络转载

　　加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种 "可穿戴微电网"，可以从人体中收集和储存能量，为小型电子产品供电。它由三个主要部分组成：以汗水为动力的生物燃料电池、被称为三电发电机的运动动力装置和储能超级电容器。所有部件都是柔性的，可清洗的，并可丝网印刷到衣服上。　

　　今天发表在《自然通讯》上的一篇论文报道了这项技术，它从社区微电网中获得了灵感。研究人员应用微电网的概念来创建可持续、可靠和独立供电的可穿戴系统。就像城市微电网整合了风能和太阳能等各种本地可再生电源一样，可穿戴式微电网整合了一些设备，这些设备可以从身体的不同部位局部采集能量，比如汗水和运动，同时包含能量存储功能。

　　这件衬衫从人体采集并储存能量，为小型电子产品供电。它结合了穿戴者的汗水和运动的能量，为可穿戴设备提供可持续的电力。可穿戴式微电网由柔性电子部件组合而成，这些部件是由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Joseph Wang的纳米生物电子学团队开发的，他是加州大学圣地亚哥分校可穿戴式传感器中心的主任，也是本次研究的通讯作者。每个部件都被丝网印刷到衬衫上，并以优化收集能量的方式放置。

　　从汗水中收集能量的生物燃料细胞位于衬衫内部的胸部。将运动中的能量转化为电能的装置，称为三联发电机，位于衬衫外的前臂和躯干两侧靠近腰部的位置。它们从行走或跑步时手臂对躯干的摆动运动中收集能量。胸前衬衫外的超级电容器暂时储存这两个设备的能量，然后放电为小型电子产品供电。

　　从运动和汗水中收集能量，使可穿戴微电网能够快速、持续地为设备供电。只要用户开始移动，在出汗之前，三电发电机就会立即提供电力。一旦用户开始出汗，生物燃料电池就开始提供电力，并在用户停止移动后继续提供电力。

　　当你把这两者加在一起的时候，它们就能弥补彼此的不足。它们相辅相成，协同作战，可以实现快速启动和持续供电。整个系统的启动速度比仅有生物燃料电池单独启动快2倍，持续时间比单独使用三电发电机长3倍。

　　可穿戴式微电网在30分钟的时间内对一名受试者进行了测试，测试内容包括在自行车机上运动或跑步10分钟，然后休息20分钟。在整个30分钟的测试过程中，该系统能够为LCD腕表或小型电致变色显示器供电。

　　生物燃料细胞配备了酶，可以触发人体汗液中乳酸和氧气分子之间的电子交换，从而产生电力。Wang的团队在2013年发表的一篇论文中首次报道了这些汗液收集可穿戴设备。他们与加州大学圣地亚哥可穿戴传感器中心的同事合作，后来更新了这项技术，使其具有可伸展性和强大的功能，足以运行小型电子产品。

　　三电发生器由一种带负电的材料制成，放置在前臂上，另一种带正电的材料，放置在躯干的两侧。当行走或奔跑时，手臂与躯干摆动时，带相反电荷的材料会相互摩擦并产生电力。每种可穿戴设备都能提供不同类型的电力。生物燃料电池提供连续的低电压，而三电发电机则提供高电压脉冲。为了让系统为设备供电，需要将这些不同的电压组合起来，并调节成一个稳定的电压。这就是超级电容器的作用，它们就像一个蓄水池，可以暂时存储来自两种电源的能量，并可以根据需要进行放电。