“生物燃料电池”:可穿戴设备将手指的触感转化为能量来源

2021年07月14日 09:25 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,一种新的可穿戴设备将手指的触摸变成了小型电子产品和传感器的动力源。加州大学圣迭戈分校的工程师们开发了一种薄而灵活的条状物,可以戴在指尖上,当一个人的手指出汗或按压它时,就会产生少量的电力。

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这种以汗水为燃料的装置的特别之处在于,它甚至在佩戴者睡着或坐着不动时也能发电。这对可穿戴设备领域来说可能是个大问题,因为研究人员现在已经找到了如何利用从人类汗水中提取的能量,即使一个人不在移动。

研究共同第一作者、加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士生Lu Yin说,这种类型的设备是同类产品中的第一个。“与其他以汗水为动力的可穿戴设备不同,这个设备不需要运动,不需要佩戴者的物理输入,就能发挥作用。这项工作是朝着使可穿戴设备对普通人来说更实用、更方便和更容易获得的方向迈出的一步。”

7月13日发表在《焦耳》杂志上的一篇论文中描述了这种新的可穿戴式能量收集器。

该设备还能从手指的轻按中产生额外的能量--因此诸如打字、发短信、弹钢琴或敲击摩尔斯密码等活动也能成为能量来源。

加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授、该研究的资深作者Joseph Wang说:“我们设想这可以用于任何涉及触摸的日常活动,即一个人在工作时、在家里、在看电视或吃饭时通常会做的事情。目标是这种可穿戴设备将自然地为你工作,你甚至不需要考虑它。”

该设备的大部分能量来自指尖产生的汗水,指尖是24小时的汗水“工厂”。一个鲜为人知的事实是,指尖是身体上最容易出汗的地方之一;每个指尖都有一千多个汗腺,可以产生比身体上大多数其他区域多100到1000倍的汗液。

“我们感觉身体其他部位出汗较多的原因是这些地方通风不好,”研究人员说。“相比之下,指尖总是暴露在空气中,因此汗水在流出时就会蒸发。因此,我们不是让它蒸发,而是用我们的设备来收集这些汗水,它可以产生大量的能量。”

但不是任何以汗水为燃料的设备都能在指尖上工作。Yin解释说,从这么小的地方收集汗液并使其发挥作用需要一些创新的材料工程。研究人员必须将设备的不同部分打造得具有超强的吸收能力,并能有效地将人类汗液中的化学物质转化为电能。

Yin与加州大学圣地亚哥分校纳米工程专业的博士生Jong-Min Moon和Juliane Sempionatto共同完成了这个项目,他们是该研究的其他第一作者,是Joseph领导的团队的一部分,Joseph也是加州大学圣地亚哥分校可佩戴传感器中心的主任。Joseph和他的团队8年前开创了以汗水为燃料的可穿戴设备。从那时起,他们一直在该技术的基础上创造新的和更好的方法,利用可持续的资源为可穿戴设备供电,例如穿戴者本身和他们周围的环境。

这项最新的能量收集技术特别独特,因为它可以随时随地作为电源。它没有像太阳能电池那样的局限性,太阳能电池只在阳光下工作,而热电发电机只在设备和周围环境有较大温差时工作。

它是如何工作的

该设备是一个薄而灵活的条状物,可以像创可贴一样缠绕在指尖上。由碳泡沫电极组成的衬垫吸收汗水并将其转化为电能。电极上装有酶,可以触发乳酸和汗液中的氧分子之间的化学反应以产生电能。电极下面是一个由所谓压电材料制成的芯片,在按下时产生额外的电能。

当佩戴者出汗或按压带子时,电能被储存在一个小型电容器中,并在需要时被释放到其他设备上。

研究人员让一名受试者在做久坐活动时将该设备戴在一个指尖上。从10个小时的睡眠中,该设备收集了近400毫焦耳的能量--这足以为一只电子腕表提供24小时的能量。从一小时的随意打字和点击鼠标中,该设备收集了近30毫焦耳。而这仅仅是来自一个指尖。研究人员说,把设备绑在其余的指尖上会产生10倍的能量。

“通过利用指尖上的汗水--无论你在哪里,无论你在做什么,汗水都会自然流出--这项技术在用户不费吹灰之力的情况下提供了能量的净收益。这就是我们所说的最大能源投资回报,”Joseph说。

“将其与一个在你运动时收集能量的设备相比较,”研究人员解释说。“当你在跑步时,你投入了数百焦耳的能量,但设备却产生了毫焦耳的能量。在这种情况下,你的能源投资回报率非常低。但有了这个设备,你的回报就非常高。当你在睡觉时,你没有投入任何工作。即使是用手指按一下,你也只投资了大约半毫焦耳。”

在其他实验中,研究人员将他们的能量收集器连接到一个电子系统,该系统由一个连接到小型低功耗显示器的化学传感器组成,该显示器显示传感器数据的数字读数。每隔10秒按压能量收集器10次,或者只是把它戴在指尖上两分钟,就足以为传感器和显示器供电。在一个实验中,研究人员将他们的设备与他们在实验室开发的维生素C传感器连接起来。他们让受试者服用维生素C药片,然后用手指供电的系统来读取他们的维生素C水平。在另一个实验中,研究人员表明,他们的系统也可以与实验室建立的钠传感器一起使用,以读取盐水溶液的钠离子水平。

"我们的目标是使这个装置成为一个实用的装置,"研究人员说。"我们想表明,这不仅仅是另一个可以产生少量能量的很酷的东西,然后就这样了--我们实际上可以用这些能量来为有用的电子产品供电,如传感器和显示器。"

为此,该团队正在对该设备进行进一步的改进,使其更加高效和耐用。未来的研究将包括将其与其他类型的能量收集器相结合,以创造新一代的自供电可穿戴系统。

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