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“可穿戴微电网”利用人体为小型设备提供可持续能源

印有电子产品的白色长袖衬衫

这种可穿戴微电网利用人体汗液和运动产生的能量为LCD手表和电致变色设备供电。摄影:Lu Yin

加州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”,可以从人体收集和存储能量,为小型电子设备供电。它由三个主要部分组成:以汗水为动力的生物燃料电池,称为摩擦发电机的运动动力装置,以及储能超级电容器。所有部件灵活,可水洗,可丝网印刷在衣服上。

这项技术,在一个3月9日出版自然通讯从社区微电网中汲取灵感。

“我们正在应用微电网的概念来创造可持续、可靠和独立供电的可穿戴系统,”联合第一作者Lu Yin说,他是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的纳米工程博士生。“就像城市微电网整合了风能和太阳能等多种当地可再生能源一样,可穿戴微电网整合了从身体不同部位(如汗水和运动)获取能量的设备,同时还包含了能量存储。”

这种可穿戴微电网是由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授约瑟夫·王(Joseph Wang)的纳米生物电子学团队开发的柔性电子部件组合而成的可穿戴传感器中心他是加州大学圣地亚哥分校的通讯作者。每个部件都被打印到衬衫上,并以一种优化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的胸部。摩擦发电机是一种将能量从运动转换为电能的装置,它被放置在衬衫外前臂和靠近腰部的躯干两侧。他们从行走或跑步时手臂对躯干的摆动运动中获取能量。衬衫外面胸部的超级电容暂时存储两个设备的能量,然后将其放电,为小型电子设备供电。

从运动和汗水中获取能量,使可穿戴微电网能够快速、持续地为设备供电。在使用者开始移动之前,摩擦发电机立即提供电力。一旦用户开始出汗,生物燃料电池就开始提供动力,并在用户停止移动后继续提供动力。

白色衬衫上的可伸缩电子产品

生物燃料电池从汗水中获取能量。

尹说:“当你把这两者加在一起时,它们就弥补了彼此的缺点。”“它们是互补和协同的,可以实现快速启动和持续供电。”整个系统的启动速度是单独使用生物燃料电池的两倍,持续时间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30分钟的测试,其中包括在自行车上锻炼或跑步10分钟,然后休息20分钟。该系统可以为LCD手表或小型电致变色显示器(一种能根据施加的电压改变颜色的设备)供电,每次供电30分钟。

大于其各部分之和

这种生物燃料电池配备了酶,可以触发人体汗液中的乳酸分子和氧分子之间的电子交换,从而产生电力。王的团队首次报道了这种吸汗的可穿戴设备出版于2013年。随后,他们与加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的同事合作更新的技术可以伸展,足够强大来运行小型电子设备。

白色衬衫上的可伸缩电子产品

摩擦发电机从运动中获取能量。

摩擦发电机由放置在前臂的负电荷材料和放置在躯干两侧的正电荷材料组成。当行走或跑步时,手臂在躯干上摆动时,相反方向的物质相互摩擦并产生电力。

每个可穿戴设备都提供了不同类型的能量。生物燃料电池提供持续的低电压,而摩擦发电机提供高电压脉冲。为了使系统为设备供电,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。这就是超级电容的用武之地;它们就像一个蓄水池,暂时储存来自两种能源的能量,并可以在需要时释放。

尹把这个装置比作供水系统。

他说:“想象一下,生物燃料电池就像一个缓慢流动的水龙头,而摩擦发电机就像一根喷出水柱的软管。”“超级电容器是它们都要馈入的水箱,你可以根据需要从水箱中提取。”

白色衬衫上的可伸缩电子产品

超级电容器储存能量并将其放电到用户佩戴的其他电子设备上。

所有的部件都是用柔性的银互连连接起来的,这种互连也印在衬衫上,并通过防水涂层进行绝缘。只要不使用洗涤剂,每个部件的性能都不受反复弯曲、折叠、揉皱或水洗的影响。

殷说,这项工作的主要创新不是可穿戴设备本身,而是所有设备的系统和高效集成。

“我们不只是把A和B加在一起,称之为一个系统。我们选择的部件都有兼容的形状因素(这里的所有东西都是可打印的,灵活的和可拉伸的);匹配性能;以及互补的功能,这意味着它们都适用于相同的场景(在这种情况下,严格的运动),”他说。

其他应用程序

这个特殊的系统对于运动和其他用户运动的情况很有用。但这只是可穿戴微电网应用的一个例子。“我们并不局限于这种设计。我们可以通过为不同的场景选择不同类型的能量采集器来适应这个系统,”尹说。

研究人员正在研究其他设计,例如,当用户坐在办公室里或在室外缓慢移动时,可以收集能量。

:“自可持续穿戴式多模块e -纺织生物能源微电网系统共同作者包括Kyeong Nam Kim*, Jian Lv*, Farshad Tehrani, Muyang Lin, Zuzeng Lin, Jong-Min Moon, Jessica Ma, Jialu Yu和Sheng Xu。

这些作者对这项工作做出了同样的贡献。

这项工作由加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心和韩国国家研究基金会支持。


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