引言

对于目前的可穿戴设备来说,电池续航始终是一项难题。然而,北卡罗莱纳州立大学研究人员进行了一项新设计,吸收人体热量转化电量供可穿戴设备使用。

可穿戴设备的电池续航难题

电池续航能力,一直是影响可穿戴设备乃至整个电子产品性能和用户体验的重要因素。大多数智能手机、笔记本电脑、智能手表、手环、可穿戴智能设备的电池持续时间都在一天之内,大大的影响了用户体验。

所以,电池续航以及可穿戴电子设备的供电,一直是IntelligentThings所关注的重点。良好的持续供电能力,对于产品和技术进步来讲十分重要。我们主要从以下三个方面,关注电池续航能力的改善

  • 采用新型电池材料,例如更加绿色安全的流体电池(点此阅读)、石墨烯笼将硅粒子”关住”以提升锂电池性能(点此阅读)、腐烂苹果中提取高性能环保钠离子电池的材料(点此阅读)、灵感来源于维生素的电池(点此阅读)、氢气可为锂电池带来下一个伟大的改进(点此阅读)。

  • 采用新能源电池,例如复制玫瑰花瓣表皮细胞的太阳能电池(点此阅读)、新型柔性太阳能电池(点此阅读)。

  • 采用其他供电方式,例如无需电池供电的汗液传感器(点此阅读)、WISP芯片: 无需电池供电从无线电波中获取能量(点此阅读)、科学家们设计了世界上首个生物供电的计算机芯片(点此阅读)、Braidio技术:在无线设备间分享电能 延长电池续航时间(点此阅读)。

而我们今天要讨论和介绍的正是采用其他的供电方式,利用人体热量进行温差发电,这也是一种绿色环保可持续的方式。

新技术简介


温差发电的原理是通过半导体技术,利用温差来获取电能。温差发电的基本原理是“泽贝克”效应,即两种不同的金属连接起来的闭合回路时,如果两个连接点的温度不一样,就能产生微小的电压。

这项发明就是基于温差发电技术,它由北卡罗莱纳州立大学的研究人员主导,该大学电气和计算机工程系副教授、这项研究论文的相关作者Daryoosh Vashaee称这种新设备为:可穿戴热电发生器(TEGs),它利用身体和环境空气之间的不同的温度差异来发电。

研究的合作领导者Haywood Hunter在展示嵌入TEG的T恤。

(图片来源于:北卡罗莱纳州立大学)

之前的温差发电器依赖于散热器,要么僵硬、笨重、庞大,要么至多只能产生一微瓦每平方米(μW/cm2)的电力。而这种新型技术可以产生20 μW/cm2的能量,无需使用散热器,所以更轻、更舒适、更高效。

新设计使用了一层附着在皮肤上的导热材料,将热量传播出去。这种导热材料顶部是一个聚合物层,防止热量消散到外界的空气中,从而迫使人体的热量通过处于中间只有1平方厘米的TEG。然后,没有被转化为电量的热量,穿越TEG进入到外层导热材料,迅速消散热量。整个系统很薄,只有2毫米厚度,且是柔性的

获取热量的最佳人体位置

研究人员对于新设备获取人体热量的最佳位置,也进行了研究。他们发现上臂是最佳的获取热量的位置。在手腕处,虽然皮肤温度更高,但是手腕的不规则轮廓限制了TEG带和皮肤的接触面积。然而胸部,接触面积虽然更大,但是经常被衣服覆盖,限制了空气流动和散热。

嵌入TEG的T恤 (左)TEG臂章 (右)

(图片来源于:北卡罗莱纳州立大学)

另外,研究人员也尝试将TEG集成到T恤中。研究人员发现T恤中的TEG仍然能够产生6 μW/cm2,当人在运动时,可达16 μW/cm2。T恤中的TEG,对于给可穿戴技术供电来说,也具有相当的可行性,虽然没有上臂的腕带那么高效。

未来展望

北卡罗莱纳州立大学ASSIST工作人员Vashaee称:“在这个原型中,TEG只有1平方厘米,但是我们可以根据设备的需求,很容易地将它扩大。”所以,TEG的面积未来将可扩展,应用于更多的可穿戴设备。

ASSIT的目标,是让这项可穿戴技术应用于长期健康监控,例如监测心脏健康、监测物理和环境变量、预防哮喘发作等等。

这项原型设计,让未来的可穿戴设备有可能无需依赖电池供电,虽然离商用还有一些距离,但是这项技术的前景仍然值得期待。未来,或许我们可能摆脱“电池续航问题“的困扰。

参考资料

【1】Melissa Hyland, Haywood Hunter, Jie Liu, Elena Veety, Daryoosh Vashaee. Wearable thermoelectric generators for human body heat harvesting. Applied Energy, 2016; 182: 518 DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.08.150

【2】https://news.ncsu.edu/2016/09/wearable-teg-heat-harvesting-2016/


新型可穿戴技术利用人体热量发电:解决电池续航难题
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