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科學研究：人體能量能給小型設備持續供電
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科學研究：人體能量能給小型設備持續供電
圖片來源：Lu Yin
加利福利亞大學聖迭戈分校（the University of California San Diego）的納米工程師開發出一種“可穿戴微電網”，可以收集並存儲人體的能量來為小型電子設備供電。它主要由三部分構成：汗液驅動的生物燃料電池、運動驅動的摩擦發電機和用於儲能的超級電容器。微電網中所有的部件都是柔軟且可清洗的，都可以通過絲網印刷在衣服上。
這項技術於發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，設計靈感來源於社區微電網。
“我們正在用微電網的概念來創造可持續、可靠和可獨立供電的可穿戴係統，”該論文的共同第一作者，加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院（Jacobs School of Engineering）納米工程博士生Lu Yin說，“這就像城市微電網整合當地多種可再生能源，比如風能和太陽能一樣，可穿戴微電網能夠整合身體不同部位的能量，將其收集並存儲起來。”
構成可穿戴微電網的柔性電子部件由加州大學聖地亞哥分校納米生物工程學教授、本項研究的通訊作者Joseph Wang的納米生物電子團隊開發。每個部件都被絲網印刷在襯衫上，並以一種已經優化了的能量收集量的方式放置。
從汗液中獲取能量的生物燃料電池位於襯衫內側靠近胸口的位置。摩擦發電機是一種將運動產生的能量轉化為電能的裝置，它被放置在襯衫外側的前臂和身體兩側，可以從走路或跑步時手臂對軀幹的擺動來獲取能量。超級電容放置在襯衫外側的胸口處，它可以暫時存儲以上兩種設備的能量，然後為小型電子設備供電。
圖片來源：Pixabay
通過同時在運動和汗液中收集的能量，可穿戴微電網能夠快速持續地為設備供電。隻要使用者開始運動，摩擦發電機就能提供電能，不必等待使用者流汗。一旦使用者開始出汗，生物燃料電池就會開始提供電能，並能在使用者停止運動後繼續供能。
“當你把這兩者放在一起，它們就會互補，”Yin說，“它們協同工作的，以實現快速啟動和持續供電。”整個係統啟動的速度是單獨使用生物燃料電池的兩倍，使用持續時間則是單獨使用摩擦發電機的三倍。
該可穿戴微電網在受試者身上進行了以30分鍾為一個周期的測試，這其中包括10分鍾的自行車機上的鍛煉或跑步，然後休息20分鍾。在一個周期內，係統提供的電能可為一塊液晶手表或一個小型電致變色顯示器（ECD）供電，後者是一種根據電壓改變顏色的設備。
能夠從汗液中收集能量的生物燃料電池。圖片來源：Lu Yin
研究團隊為所使用的生物燃料電池配備了一種酶，它可以催化人體汗液中的乳酸分子和氧分子之間的電子交換，產生電能。Wang的團隊在2013年發表的一篇論文中首次報道了這種使用汗液發電的可穿戴設備。他們與加州大學聖地亞哥分校可穿戴傳感器中心（Center for Wearable Sensors）的同事們合作，將這項技術進行了升級，使其具有延展性，並提升了功率以便運行小型電子設備。
摩擦發電機由放在前臂的負電荷材料和放在身體兩側的正電荷材料構成。當手臂在走路或跑步過程中擺動時，帶相反電荷的材料就會相互摩擦並產生電能。
每種可穿戴設備都提供不同類型的電能。生物燃料電池提供連續的低電壓，而摩擦發電機則是提供高電壓脈衝。為了使這套係統能給設備供電，需要將這些不同的電壓組合並調節成穩定的電壓。這就是超級電容器的作用所在：它充當著水庫的角色，暫時儲存這兩種設備產生的能量，並在需要時釋放電能。
Yin將這種設置比作供水係統。
“想象一下，生物燃料電池就像一個緩慢流水的水龍頭，摩擦發電機就像一根水流會從中噴湧而出的水管，”他說，“超級電容器就是它們輸入的容器，你可以從容器中抽取任何你需要的水量。”
所有部件都是用柔軟的銀連接，這種材料也同樣用於襯衫的印刷，並用一層防水塗層保持絕緣。每個部件的性能都不易因彎曲、折疊或揉皺而受到影響，而且隻要不使用洗滌劑，也不會因水洗而受到影響。
Yin說，這項工作的主要創新點並不是可穿戴本身，而是整合所有設備的係統和這整套設備的高效集成。
“我們並不是隨便將A和B組合在一起，就把它稱為係統。我們所選的部件都具備兼容的性質（所采用的所有部件都可絲網印刷、柔軟、可拉伸）；互相匹配的性能；以及互補的功能。這意味著它們都適用於相同的場合（在這種情況下，嚴格來說是運動場合）。”他說。
這套特殊的係統對於運動員和其他經常運動的用戶是非常有用的。但這隻是可穿戴微電網的其中一個應用。“我們不會僅僅局限在這一種設計。我們會根據不同的場景選擇不同類型的能量采集器來適應這套係統。”Yin說。
研究人員正在研發其他的設計，以便在使用者坐在辦公室或在室外閑逛時也能收集能量。
翻譯：胡琦琳
審校：戚譯引
引進來源：加州大學聖迭戈分校
引進來源：https://eurekalert.org/pub_releases/2021-03/uoc--mu030521.php
本文來自：環球科學
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圖片來源：Lu Yin
加利福利亞大學聖迭戈分校（the University of California San Diego）的納米工程師開發出一種“可穿戴微電網”，可以收集並存儲人體的能量來為小型電子設備供電。它主要由三部分構成：汗液驅動的生物燃料電池、運動驅動的摩擦發電機和用於儲能的超級電容器。微電網中所有的部件都是柔軟且可清洗的，都可以通過絲網印刷在衣服上。
這項技術於發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，設計靈感來源於社區微電網。
“我們正在用微電網的概念來創造可持續、可靠和可獨立供電的可穿戴係統，”該論文的共同第一作者，加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院（Jacobs School of Engineering）納米工程博士生Lu Yin說，“這就像城市微電網整合當地多種可再生能源，比如風能和太陽能一樣，可穿戴微電網能夠整合身體不同部位的能量，將其收集並存儲起來。”
構成可穿戴微電網的柔性電子部件由加州大學聖地亞哥分校納米生物工程學教授、本項研究的通訊作者Joseph Wang的納米生物電子團隊開發。每個部件都被絲網印刷在襯衫上，並以一種已經優化了的能量收集量的方式放置。
從汗液中獲取能量的生物燃料電池位於襯衫內側靠近胸口的位置。摩擦發電機是一種將運動產生的能量轉化為電能的裝置，它被放置在襯衫外側的前臂和身體兩側，可以從走路或跑步時手臂對軀幹的擺動來獲取能量。超級電容放置在襯衫外側的胸口處，它可以暫時存儲以上兩種設備的能量，然後為小型電子設備供電。
圖片來源：Pixabay
通過同時在運動和汗液中收集的能量，可穿戴微電網能夠快速持續地為設備供電。隻要使用者開始運動，摩擦發電機就能提供電能，不必等待使用者流汗。一旦使用者開始出汗，生物燃料電池就會開始提供電能，並能在使用者停止運動後繼續供能。
“當你把這兩者放在一起，它們就會互補，”Yin說，“它們協同工作的，以實現快速啟動和持續供電。”整個係統啟動的速度是單獨使用生物燃料電池的兩倍，使用持續時間則是單獨使用摩擦發電機的三倍。
該可穿戴微電網在受試者身上進行了以30分鍾為一個周期的測試，這其中包括10分鍾的自行車機上的鍛煉或跑步，然後休息20分鍾。在一個周期內，係統提供的電能可為一塊液晶手表或一個小型電致變色顯示器（ECD）供電，後者是一種根據電壓改變顏色的設備。
能夠從汗液中收集能量的生物燃料電池。圖片來源：Lu Yin
研究團隊為所使用的生物燃料電池配備了一種酶，它可以催化人體汗液中的乳酸分子和氧分子之間的電子交換，產生電能。Wang的團隊在2013年發表的一篇論文中首次報道了這種使用汗液發電的可穿戴設備。他們與加州大學聖地亞哥分校可穿戴傳感器中心（Center for Wearable Sensors）的同事們合作，將這項技術進行了升級，使其具有延展性，並提升了功率以便運行小型電子設備。
摩擦發電機由放在前臂的負電荷材料和放在身體兩側的正電荷材料構成。當手臂在走路或跑步過程中擺動時，帶相反電荷的材料就會相互摩擦並產生電能。
每種可穿戴設備都提供不同類型的電能。生物燃料電池提供連續的低電壓，而摩擦發電機則是提供高電壓脈衝。為了使這套係統能給設備供電，需要將這些不同的電壓組合並調節成穩定的電壓。這就是超級電容器的作用所在：它充當著水庫的角色，暫時儲存這兩種設備產生的能量，並在需要時釋放電能。
Yin將這種設置比作供水係統。
“想象一下，生物燃料電池就像一個緩慢流水的水龍頭，摩擦發電機就像一根水流會從中噴湧而出的水管，”他說，“超級電容器就是它們輸入的容器，你可以從容器中抽取任何你需要的水量。”
所有部件都是用柔軟的銀連接，這種材料也同樣用於襯衫的印刷，並用一層防水塗層保持絕緣。每個部件的性能都不易因彎曲、折疊或揉皺而受到影響，而且隻要不使用洗滌劑，也不會因水洗而受到影響。
Yin說，這項工作的主要創新點並不是可穿戴本身，而是整合所有設備的係統和這整套設備的高效集成。
“我們並不是隨便將A和B組合在一起，就把它稱為係統。我們所選的部件都具備兼容的性質（所采用的所有部件都可絲網印刷、柔軟、可拉伸）；互相匹配的性能；以及互補的功能。這意味著它們都適用於相同的場合（在這種情況下，嚴格來說是運動場合）。”他說。
這套特殊的係統對於運動員和其他經常運動的用戶是非常有用的。但這隻是可穿戴微電網的其中一個應用。“我們不會僅僅局限在這一種設計。我們會根據不同的場景選擇不同類型的能量采集器來適應這套係統。”Yin說。
研究人員正在研發其他的設計，以便在使用者坐在辦公室或在室外閑逛時也能收集能量。
翻譯：胡琦琳
審校：戚譯引
引進來源：加州大學聖迭戈分校
引進來源：https://eurekalert.org/pub_releases/2021-03/uoc--mu030521.php
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