智能手環(huán)實現(xiàn)充電自由了？

在21世紀(jì)的科技浪潮中，可穿戴電子設(shè)備正逐漸成為我們生活中不可或缺的一部分。這些設(shè)備以其便攜性、功能性和用戶友好性，正在改變我們與數(shù)字世界的互動方式。

可穿戴設(shè)備的種類繁多，從簡單的計步器到復(fù)雜的健康監(jiān)測系統(tǒng)，每一種都有其特定的用途和功能。例如，智能手表不僅可以顯示時間，還能監(jiān)測心率、睡眠質(zhì)量、步數(shù)和接收通知。健康監(jiān)測器則可以實時跟蹤血糖、血壓和心電圖等關(guān)鍵生理指標(biāo)。虛擬現(xiàn)實眼鏡則為用戶帶來沉浸式的體驗，廣泛應(yīng)用于游戲、教育和訓(xùn)練模擬中。

圖1 基于柔性電極材料開發(fā)的可穿戴電子設(shè)備 圖片來源：《科普時報》盡管可穿戴設(shè)備的便利性不言而喻，但它們?nèi)匀幻媾R著能源供應(yīng)的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電池不僅需要定期充電，而且存在壽命限制和環(huán)境問題。因此，研究人員正在探索如何使這些設(shè)備實現(xiàn)能源自給自足，例如通過太陽能、動能甚至人體熱量來供電。

在這個背景下，熱電可穿戴設(shè)備和指****尖可穿戴微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。熱電可穿戴設(shè)備利用熱電材料將人體熱量轉(zhuǎn)換為電能，而指尖微電網(wǎng)則通過生物燃料電池和可拉伸電池收集和儲存能量，實現(xiàn)對可穿戴設(shè)備的持續(xù)供電。這些技術(shù)不僅提高了能源利用效率，還減少了對環(huán)境的影響

熱電可穿戴設(shè)備

熱電可穿戴設(shè)備基于熱電效應(yīng)，即當(dāng)熱電材料的兩端存在溫差時，能夠產(chǎn)生電壓和電流。這些設(shè)備的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它們能夠利用人體自然產(chǎn)生的熱量，如體熱，來產(chǎn)生電能，從而減少對傳統(tǒng)電池的依賴。

圖2 用于自供電電子系統(tǒng)的可穿戴熱電材料和器件 圖片來源：《先進(jìn)材料》

熱電材料：這些設(shè)備的核心是熱電材料，它們可以是無機(jī)半導(dǎo)體如碲化鉍和碲化銻，也可以是有機(jī)聚合物。這些材料的熱電優(yōu)值決定了其轉(zhuǎn)換效率，熱電優(yōu)值越高，轉(zhuǎn)換效率越好。

柔性與舒適性：為了適應(yīng)人體的不規(guī)則表面和動態(tài)運動，熱電可穿戴設(shè)備需要具備良好的柔性和可拉伸性。這通常通過將熱電材料與柔性基底材料（如聚合物）結(jié)合來實現(xiàn)。

設(shè)計創(chuàng)新：為了提高熱電設(shè)備的功率輸出，研究人員采用了多種設(shè)計策略，包括增加熱電材料的表面積、優(yōu)化熱電材料的納米結(jié)構(gòu)、以及設(shè)計更高效的熱管理系統(tǒng)來增強(qiáng)溫度梯度。

指尖可穿戴微電網(wǎng)

圖3 集成指尖可穿戴微電網(wǎng)的原理和設(shè)計

（a）指尖可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)的示意圖，包括生物燃料電池、氯化銀-鋅電池、柔性印刷電路板以及帶有滲透汗液提取輔助紙流體系統(tǒng)的可穿戴傳感器。生物燃料電池和氯化銀-鋅電池電池的組合構(gòu)建為能源模塊，包括兩個串聯(lián)的氯化銀-鋅電池電池，每個電池由兩個串聯(lián)的生物燃料電池充電。插圖（紅圈中）放大了與指尖接觸的組件，包括四個生物燃料電池和一個中心滲透泵系統(tǒng)用于汗液提取：（i）主示意圖，（ii）腹側(cè)和（iii）背側(cè)。

（b）指尖安裝的微電網(wǎng)工作原理的示意圖，用于能量收集、能量存儲以及電化學(xué)傳感與無線數(shù)據(jù)傳輸和智能手機(jī)顯示。指尖出汗提供生物燃料和生物標(biāo)記物，分別用于被動能量收集和連續(xù)傳感。微控制單元為四個傳感器提供動力，生成的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙低功耗傳輸，以供進(jìn)一步分析。圖片來源：《自然-電子》

指尖可穿戴微電網(wǎng)是一種更為特定的可穿戴能源解決方案，它專注于利用指尖的高汗腺密度來收集生物能量。這種系統(tǒng)通常包括以下幾個關(guān)鍵組件：

生物燃料電池：生物燃料電池利用指尖汗液中的化學(xué)物質(zhì)（如乳酸）作為燃料，通過生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。這些電池的設(shè)計通常包括酶催化劑，以提高能量轉(zhuǎn)換效率。

可拉伸電池：如氯化銀-鋅電池，它們可以儲存生物燃料電池產(chǎn)生的電能。這些電池設(shè)計為可拉伸和柔性，以適應(yīng)指尖的形狀和運動。

微流體系統(tǒng)：為了有效地將汗液引導(dǎo)到傳感器，指尖微電網(wǎng)通常包括一個微流體系統(tǒng)，如激光雕刻的微流體紙通道。這些通道利用毛細(xì)作用將汗液輸送到傳感器。

電化學(xué)傳感器：這些傳感器用于檢測汗液中的特定化學(xué)物質(zhì)，如葡萄糖、維生素C、乳酸等。它們將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，供微控制器處理。

低功耗電子器件：指尖微電網(wǎng)包括低功耗的微控制器和無線傳輸模塊，用于處理傳感器信號并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或其他設(shè)備。

熱電可穿戴設(shè)備和指尖可穿戴微電網(wǎng)的未來發(fā)展將集中在提高能量轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化設(shè)備設(shè)計以增強(qiáng)用戶體驗、以及擴(kuò)展其在健康監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著技術(shù)的成熟，這些設(shè)備有望在醫(yī)療保健、運動科學(xué)、軍事和娛樂等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人們的生活帶來更多便利和健康保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring. Nat. Electron. (2024).

[2] Y. Jia, Q. Jiang, H. Sun, P. Liu, D. Hu, Y. Pei, W. Liu, X. Crispin, S. Fabiano, Y. Ma, Y. Cao, Wearable Thermoelectric Materials and Devices for Self-Powered Electronic Systems. Adv. Mater. 2021, 33, 2102990.

[3] Gong S, Lu Y, Yin J, et al. Materials-driven soft wearable bioelectronics for connected healthcare[J]. Chemical Reviews, 2024, 124(2): 455-553.

[4] 李傳福. 柔軟電極材料，讓可穿戴電子設(shè)備不再僵硬[N].科普時報,2024-07-19（06）.