人體“發(fā)電廠”？穩(wěn)定輸出5個月，輕松點亮100個LED燈

當前，隨著智能手機的產(chǎn)品創(chuàng)新逐漸走弱，以及市場容量逐漸接近飽和，智能可穿戴電子設(shè)備成為了智能終端產(chǎn)業(yè)的新熱點。

其中，柔性可穿戴電子設(shè)備，便是該領(lǐng)域內(nèi)的前沿研究方向之一。

但是，由于柔性可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計和功能，一直受能量來源和所用材料的影響，市面上并沒有出現(xiàn)太多令人驚艷的產(chǎn)品。

如果我們可以“扔掉”笨重的電池，利用自身能量為可穿戴電子設(shè)備供電，是不是很酷炫？

如今，這一想法或許正在成為事實。

近日，來自新加坡南洋理工大學和清華大學的科研團隊，就聯(lián)合開發(fā)出了一種可伸縮的防水“織物”，這種織物可以將人類身體運動產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。

在一項概念驗證實驗中，研究團隊在一塊 3 cm*4 cm 的實驗材料上輕敲，產(chǎn)生的電能足以點亮 100 個 LED 燈。

而且，經(jīng)洗滌、折疊和褶皺后，織物的性能也不會出現(xiàn)下降，甚至可以在長達 5 個月的時間內(nèi)，保持穩(wěn)定的電力輸出。

研究團隊認為，這一新型織物具備成為智能紡織品和可穿戴電源的潛力。

相關(guān)研究論文以“Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting”為題，已發(fā)表在科學期刊 Advanced Materials 上。

一種新的替代能源

新型織物是一種能量收集裝置，它能將人類日常生活中由最微小的身體運動產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為電能。

據(jù)論文描述，這種織物的一個關(guān)鍵成分是一種聚合物，當被壓制或擠壓時，這種聚合物能將機械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能。

新型織物由可伸縮的氨綸（spandex）作為基礎(chǔ)層，且與類似橡膠的材料集成，以保持它的堅固、柔韌性和防水性。

“人們曾多次嘗試開發(fā)可以從運動中獲取能量的面料或服裝，但一個巨大的挑戰(zhàn)是，如何保證它們被多次洗滌后功能不會退化、同時又能保持良好的電力輸出。” 論文的通訊作者、南洋理工大學教授 Lee Pooi See 表示。

在此次工作中，研究團隊證實，原型織物在被洗滌和揉皺后仍然可以很好地工作，可以編織在 T 恤上或集成到鞋底，從人體最小的動作中收集能量，將電力輸送到移動設(shè)備。

新型織物通過兩種方式發(fā)電：當它因被按壓（pressed）或壓扁（squashed）而出現(xiàn)壓電現(xiàn)象（piezoelectricity）時，以及當它與其他材料（比如皮膚或橡膠手套）摩擦產(chǎn)生摩擦電效應(yīng)時。

為了制造這一原型織物，科學家們首先通過絲網(wǎng)印刷一種由銀和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）組成的“墨水”，制造出一種可拉伸的電極。

然后，這個可拉伸的電極被連接到一塊納米纖維織物上，其組成成分分別為 PVDF-HPF（一種在壓縮、彎曲或拉伸時產(chǎn)生電荷的聚合物）和無鉛鈣鈦礦（一種在太陽能電池和 LED 領(lǐng)域很有前途的材料）。

研究團隊表示，在 PVDF-HPF 中嵌入鈣鈦礦可以增加原型織物的電輸出能力，而且無鉛鈣鈦礦是一種更環(huán)保的選擇。PVDF-HPF 不僅賦予鈣鈦礦特殊的機械耐久性和靈活性，也對鈣鈦礦起到了額外的保護層，增加了其機械性能和穩(wěn)定性。

再也不需要電池了？

為了演示他們的原型織物是如何工作的，研究團隊展示了一只手在一塊 3 cm*4 cm 的織物上連續(xù)輕敲，如何點亮 100 個 LED 燈，或為各種電容充電。

結(jié)果顯示，新型織物表現(xiàn)出了良好的耐久性和穩(wěn)定性——其電性能在洗滌、折疊和褶皺后不會惡化，它還繼續(xù)產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電力輸出長達 5 個月。

此外，新型織物可以被附著在胳膊、腿、手、肘部以及鞋墊上，利用人類一系列運動產(chǎn)生的能量，而且不會對運動產(chǎn)生影響。

“盡管電池容量有所提高，電力需求有所減少，可穿戴設(shè)備的電源仍然需要經(jīng)常更換電池。我們的結(jié)果表明，我們的能量收集原型織物可以利用來自人類的振動能量，從而潛在地延長電池的壽命，甚至構(gòu)建自供電系統(tǒng)。據(jù)我們所知，這是第一個基于鈣鈦礦的混合能源設(shè)備，它穩(wěn)定、可拉伸、透氣、防水，同時能夠提供出色的電力輸出性能?！?Lee 表示。

當前，研究團隊正在研究如何利用相同的織物來收集不同形式的能量。

參考資料：

https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity

https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042

https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_developed_a_stretchable_and/

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm