可穿戴設(shè)備和幾乎所有其他技術(shù)一樣，都需要能源。不過，幸運的是，在可穿戴設(shè)備適度的電力預(yù)算下，能源實際上無處不在。它存在于陽光和無線電波、皮膚的汗液和體溫、一個人的動作和腳步聲中。如今，技術(shù)正在成熟，可以收獲大量的能量贈品，將可穿戴設(shè)備從需要電池的狀態(tài)中解放出來。這對一系列公司和研究人員來說似乎很有吸引力。

“能源是我們認為理所當(dāng)然存在的東西，感覺就像空氣一樣無所不在。但我們確實需要長期輸出這種能源，”Alper Bozkurt說，他與Veena Misra共同領(lǐng)導(dǎo)了北卡羅來納州立大學(xué)先進自供電集成傳感器和技術(shù)中心（Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies，ASSIST）。

今天最著名的可穿戴能源收集技術(shù)當(dāng)然是太陽能，它從陽光或環(huán)境光中提取電子。但太陽能只是剛剛開始。研究人員發(fā)現(xiàn)，有多種選擇可以獲得足夠的微瓦能量來更換可穿戴設(shè)備的電池。其中包括壓電發(fā)電機和摩擦發(fā)電機，它們利用機械應(yīng)變和材料的靜電特性來發(fā)電。同時，眾所周知的電磁感應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生顛簸、跳躍和大步，產(chǎn)生微小但仍然有用的電流。

雖然可穿戴設(shè)備通常不需要太多電力，但可穿戴設(shè)備必須易于佩戴。一個裝有巨大太陽能電池板的背包在技術(shù)上可能可行，但在現(xiàn)實中不行。

需求和能源的多樣性在最近的一系列能源收集研究中顯而易見，包括一些整合多種模式的混合工作。

汗液的力量

加州理工學(xué)院的Wei Gao開發(fā)了一種自供電的“電子皮膚”。他說，電子皮膚是一種直接應(yīng)用于皮膚的傳感器嵌入式設(shè)備，用于讀取和傳輸心率、體溫、血糖和代謝副產(chǎn)物等健康指標。

Gao說：“個性化醫(yī)療可以徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療實踐。但要結(jié)合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設(shè)計和工具。其中最重要的是能量存儲（和發(fā)電）。”

Gao的第一款電子皮膚于2020年4月生產(chǎn)，由柔軟柔韌的橡膠制成，它利用患者的汗水為設(shè)備提供動力。該設(shè)備使用內(nèi)置的燃料電池，吸收汗液中的乳酸，并將其與大氣中的氧氣結(jié)合，生成水和丙酮酸鹽。通過這個過程，生物燃料產(chǎn)生了足夠的電力，為電子皮膚的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸提供動力，將電容器從1.5伏持續(xù)充電到3.8伏，持續(xù)充電約60小時。（對于電容器來說，電壓轉(zhuǎn)化為存儲的電子——電容器兩端的電壓降與其總電荷成比例。）

幾個月后，Gao和他的團隊開發(fā)了一個電子皮膚模型，該模型利用運動產(chǎn)生的動能來產(chǎn)生摩擦電，即從不同靜電性質(zhì)的材料的相對運動中釋放電流。這種第二代電子皮膚夾著聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片，隨著人的移動而滑動，產(chǎn)生0.94毫瓦的最大功率。

團隊接下來將轉(zhuǎn)向3D打印。在9月份發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的一項研究（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6492）中，他們3D打印了一種名為e3皮膚（表流體彈性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統(tǒng)的基本組件——物理傳感器、化學(xué)傳感器、微流體和超級電容器。

該平臺使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極等，以及由太陽能電池供電的微型超級電容器。Gao說，3D打印的精度使研究人員能夠創(chuàng)建用于健康狀況早期預(yù)警和診斷的定制組件。

可穿戴技術(shù)與動物？

許多關(guān)于可穿戴技術(shù)的討論都集中在健康或其他人類需求上。但由于目前的技術(shù)還不夠，生物學(xué)家們也在研究用于追蹤動物的能量采集。電池的能量總是不及動物 —— 太陽能對夜間活動的動物或弱光環(huán)境中的生物不起作用。一個從跑步者晚間慢跑中獲取能量的小裝置顯然不適用于重達一噸的大型野牛。

這些挑戰(zhàn)激發(fā)了哥本哈根大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和德國馬克斯·普朗克動物行為研究所的研究團隊，為他們的目的構(gòu)建一個更好的可穿戴尺寸生成器：理想情況下，跟蹤野生動物的一生。目前，對于大多數(shù)哺乳動物來說，使用電池和太陽能設(shè)備是無法實現(xiàn)這一目標的。

在5月份發(fā)表在PLoS One上的研究（https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0285930 - sec010）中，他們詳細介紹了Kinefox，一種野生動物只需通過移動就能充電的GPS跟蹤器。該團隊用三種動物測試了他們的設(shè)備：四只家狗、一匹埃克斯穆爾小馬和一頭歐洲野牛。

該團隊的靈感來源于自18世紀末以來一直存在的自動上弦手表，它將手腕運動轉(zhuǎn)化為能量。因此，研究人員購買了一款為可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計的商用微型發(fā)電機，名為Kinetron MSG32。他們將其與鋰離子電容器和定制的GPS追蹤器相結(jié)合，該追蹤器通過Sigfox低功耗無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

馬克斯·普朗克動物行為研究所的客座科學(xué)家Troels Gregersen說：“我們想把已經(jīng)創(chuàng)造出來的東西進行調(diào)整使其適用于動物追蹤，盡管它最初并不是為此而設(shè)計的。”

研究人員的第一個版本將Kinefox安裝在動物現(xiàn)有的項圈和背帶上，以便觀察和學(xué)習(xí)。

然而，Gregersen說：“我們給野牛戴上的第一個項圈立即被摧毀了。它們是900公斤重的動物，又在奔跑。這在人類可穿戴設(shè)備中不是一個用例。”

根據(jù)第一個版本的結(jié)果，該團隊最終創(chuàng)建了一個自定義跟蹤器和項圈。他們將微型發(fā)電機的鐘擺式自動手表機芯粘在一個鐵磁環(huán)上，將組合放在一圈銅線周圍。當(dāng)鐘擺隨著動物的運動來回擺動時，環(huán)在線圈中產(chǎn)生交流電，電壓倍增電路將其轉(zhuǎn)換為直流電。

Gregersen說：“當(dāng)動物出生時，可以放置一次追蹤器，這很有價值。如果某個東西可以傳輸新類型的數(shù)據(jù)，或者它可以持續(xù)更長的時間，那么它的應(yīng)用就具有價值。”

Kinefox是開源的，文件發(fā)布在GitHub上。并且，馬克斯·普朗克的研究人員表示，傳統(tǒng)的野生動物跟蹤器的價格為3500至4000歐元，而Kinefox的材料價格約為270歐元。Gregersen說，該團隊正在與總部位于荷蘭蒂爾堡的Kinetron公司進行談判，以生產(chǎn)專門為動物設(shè)計的微型發(fā)電機。

挑戰(zhàn)：可持續(xù)性和行業(yè)合作

展望未來，一些研究人員專注于將獨特的材料結(jié)合起來，并用更可持續(xù)的材料創(chuàng)建能源收集系統(tǒng)。包括日本東北大學(xué)研究人員（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2300163X?via%3Dihub）在內(nèi)的一個團隊最近開發(fā)了一種耐用、高效的能量采集器，該采集器將壓電復(fù)合材料與碳纖維增強聚合物（CFRP）相結(jié)合。

該小組使用CFRP、鈮酸鈉鉀（KNN）納米顆粒和環(huán)氧樹脂制造了他們的設(shè)備。東北大學(xué)研究生、該研究的合著者Yu Yaonan說，即使使用了10萬次，該設(shè)備仍然可以儲存它產(chǎn)生的電力。

Yu說，這種強度和能量產(chǎn)生的結(jié)合可以用于幾種類型的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括加固橋梁和高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)裂縫、坑洞或其他損壞時，這些系統(tǒng)可以感知。

另外，ASSIST中心的Bozkurt表示，最佳應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹菙?shù)據(jù)分析，以及匹配能量收集能力，以收集和傳輸用戶真正需要的數(shù)據(jù)。

審核編輯：彭菁