科學家研發可穿戴微電網采集人體能量為電子器件供電

      加利福尼亞大學圣地亞哥分校的納米工程師開發了一種 "可穿戴微電網"，可以從人體中收集和儲存能量，為小型電子產品供電。它由三個主要部分組成：以汗水為動力的生物燃料電池、被稱為三電發電機的運動動力裝置和儲能超級電容器。所有部件都是柔性的，可清洗的，并可絲網印刷到衣服上。

發表在《自然通訊》上的一篇論文報道了這項技術，它從社區微電網中獲得了靈感。研究人員應用微電網的概念來創建可持續、可靠和獨立供電的可穿戴系統。就像城市微電網整合了風能和太陽能等各種本地可再生電源一樣，可穿戴式微電網整合了一些設備，這些設備可以從身體的不同部位局部采集能量，比如汗水和運動，同時包含能量存儲功能。

       這件襯衫從人體采集并儲存能量，為小型電子產品供電。它結合了穿戴者的汗水和運動的能量，為可穿戴設備提供可持續的電力。可穿戴式微電網由柔性電子部件組合而成，這些部件是由加州大學圣地亞哥分校納米工程教授Joseph Wang的納米生物電子學團隊開發的，他是加州大學圣地亞哥分?？纱┐魇絺鞲衅髦行牡闹魅?，也是本次研究的通訊作者。每個部件都被絲網印刷到襯衫上，并以優化收集能量的方式放置。

       從汗水中收集能量的生物燃料細胞位于襯衫內部的胸部。將運動中的能量轉化為電能的裝置，稱為三聯發電機，位于襯衫外的前臂和軀干兩側靠近腰部的位置。它們從行走或跑步時手臂對軀干的擺動運動中收集能量。胸前襯衫外的超級電容器暫時儲存這兩個設備的能量，然后放電為小型電子產品供電。

       從運動和汗水中收集能量，使可穿戴微電網能夠快速、持續地為設備供電。只要用戶開始移動，在出汗之前，三電發電機就會立即提供電力。一旦用戶開始出汗，生物燃料電池就開始提供電力，并在用戶停止移動后繼續提供電力。

       當你把這兩者加在一起的時候，它們就能彌補彼此的不足。它們相輔相成，協同作戰，可以實現快速啟動和持續供電。整個系統的啟動速度比僅有生物燃料電池單獨啟動快2倍，持續時間比單獨使用三電發電機長3倍。

       可穿戴式微電網在30分鐘的時間內對一名受試者進行了測試，測試內容包括在自行車機上運動或跑步10分鐘，然后休息20分鐘。在整個30分鐘的測試過程中，該系統能夠為LCD腕表或小型電致變色顯示器供電。

       生物燃料細胞配備了酶，可以觸發人體汗液中乳酸和氧氣分子之間的電子交換，從而產生電力。Wang的團隊在2013年發表的一篇論文中*報道了這些汗液收集可穿戴設備。他們與加州大學圣地亞哥可穿戴傳感器中心的同事合作，后來更新了這項技術，使其具有可伸展性和強大的功能，足以運行小型電子產品。

    三電發生器由一種帶負電的材料制成，放置在前臂上，另一種帶正電的材料，放置在軀干的兩側。當行走或奔跑時，手臂與軀干擺動時，帶相反電荷的材料會相互摩擦并產生電力。每種可穿戴設備都能提供不同類型的電力。生物燃料電池提供連續的低電壓，而三電發電機則提供高電壓脈沖。為了讓系統為設備供電，需要將這些不同的電壓組合起來，并調節成一個穩定的電壓。這就是超級電容器的作用，它們就像一個蓄水池，可以暫時存儲來自兩種電源的能量，并可以根據需要進行放電。