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利用人体热效应为可穿戴设备供电,技术原理是怎样的?

时间:2020-10-22 18:30:38 作者:EET 阅读:
研究人员正在研究如何最好地为这些可穿戴设备供电,方法是利用用户自己的体热,并与服装,圆点和纺织行业的专家们一起工作。一个名为ThermoTex的项目正在探索利用人体热量为微型的可穿戴设备供电。
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由于近十年来计算机技术的迅猛发展,以及电子元件的小型化,人们可以通过佩戴微型计算机来跟踪自己的运动并实时监控其健康状况。

现在,研究人员正在研究如何最好地为这些可穿戴设备供电,方法是利用用户自己的体热,并与服装,圆点和纺织行业的专家们一起工作。一个名为ThermoTex的项目正在探索利用人体热量为微型的可穿戴设备供电。

到2025年,可穿戴电子产品市场预计将增长到530亿欧元,但它由单一产品-智能手表主导。除此之外,德国Fraunhofer FEP的Matthias Fahland博士说,还有很多产品处于“起步阶段”。该领域的主要障碍之一是存储。“电池的能源来自何处,续航能力将持续多久,是所有问题的关键。”

瑞典查尔默斯理工大学的克里斯蒂安·穆勒教授说,热电效应已经有近200年的历史了。所谓热电效应,是当受热物体中的电子(空穴),随着温度梯度由高温区往低温区移动,产生电流或电荷堆积的一种现象。例如人的皮肤与外部温度之间存在温差时,热电效应允许将热能转换为电能。电子从材料的较热部分移动到较冷的部分,电荷的这种移动会产生电势。

他说:“热梯度(差异)是一个重要的动力源,因为它们一直存在。”

由用户自身体温提供动力的可穿戴电子设备,可以帮助解决如何存储能量的问题。来源:pxhere.com 

聚合物

ThermoTex有两个轨迹:基础科学和应用科学。

在其基本轨道上,该团队试图设计具有比目前可用的热电性能更好的聚合物。调节聚合物热电效应的一种方法是掺杂,这是分子的长重复链。此过程会产生发电所需的电荷。

2020年,ThermoTex团队在《自然材料》上发表了一篇论文,表明通过将具有低电离能的聚合物(释放电子所需的能量)和具有高电子亲和力的掺杂剂(添加到聚合物中的分子)结合在一起,可能使掺杂效率提高一倍。
 
但是,在掺杂剂方面存在安全隐患,尤其是在可穿戴电子设备中使用掺杂剂时。米勒教授说:“它们可能有毒。” 他补充说,如果它们与您的皮肤接触,可能会毒害您。

该小组研究了大约50种不同的掺杂物,并将进一步在一个名为HORATES的项目里展开深度调研。这个大项目由欧盟资助,将于2021年启动,重点开发有机或碳基,热电发生器。

作为应用工作的一部分,ThermoTex购买了商业导电聚合物配方,他们将其用于包覆丝绸。尽管这些涂层的效率不及穆勒教授实验室制造的某些涂层,但它们可以帮助项目团队开始制造导电织物和设备。例如,涂层的丝绸可以为人体监测传感器提供能量。

Müller教授说,他们将使用寿命很长的线缝合在织物上,再将它们绣成小的波尔卡圆点,这一点很重要,因为当以点状形式出现时,丝绸是皮肤与外界空气之间的导管。学生还可以在织机中将这些丝线编织在一起。

他说:“我认为与纺织业互动并使用他们的方法,非常重要。” “这是一个成熟的行业,利润率很低,因此有些奇特方法就显得尤为疯狂。”

这种丝绸绣花的热电发电机,可通过人体热量为可穿戴设备供电。图片来源:Anja Lund

平台化

同时,Fraunhofer FEP的Fahland博士也试图提供可用于服装的纺织行业解决方案。他是Smart2Go(11个成员的项目)的项目负责人,该项目旨在为可穿戴电子设备创建一个掌上型的自主能源供应平台。

该平台集成了能量收集功能,例如从热电效应中获取的能量,存储以及应用这些能量。Fahland博士说:“该平台是一堆箔纸,具有很多功能。”他补充说,您可以将其握在手中。“这是一个接口,将能量收集器连接到应用程序。您可以指定如何将能量放到平台中,以及将能量引入应用程序的方式。”

在应用方面,Smart2Go正在与行业合作伙伴就两个不同的项目进行合作。

Smart2Go正在与一家纺织和服装制造商合作,将平台与能量收集材料集成在一起,以提供更安全的工作服。可能包括诸如黑暗时点亮的功能。它还与一家运动休闲服装公司合作,制作可以收集有关性能信息的服装。

Fahland博士说,这些解决方案对材料的重量和柔韧性施加了许多限制。而且,构建时必须考虑用户可以“嵌入”不同能量收集技术。

Smart2Go的项目依赖于太阳能和人体热量,但其他项目可能包括运动产生的能量或动能。芬兰坦佩雷大学的项目同事正在研究该平台的超级电容器,这些电容器将增加可用于不同应用的电流,从而扩大了平台的可能用途。

移动手机应用

但是,这些小型能量收集器只能从环境中清除大量能量。有人认为未来可以利用热电效应为手机供电,ThermoTex的Müller教授对这种想法嗤之以鼻。

不仅能量采集效率很低——他估计最多可以收集和储存1%的热能,这就是他们试图开发新材料的原因,还会使穿着者感到非常冷,因为设备试图从身体吸收能量。

但是,对于较小的应用(例如用于监视健康的传感器,识别标签或安全服),可以从周围环境中汲取少量能量的微型设备作为解决方案。

尽管到目前为止,可穿戴电子产品的最大障碍可能不是技术上的障碍,尽管这一直是阻碍其发展和普及的主要障碍。为了使可穿戴电子产品进一步发展,需要避免可穿戴设备收集和存储个人隐私,以及由此带来的安全隐患。法赫兰德博士说:“有很多法律和数据安全问题需要认真对待。”

同时,他和该领域的其他人正在消除可能遇到的障碍,并创造出一种技术,该技术将为衣物从身体和环境中产生能量而铺平道路。

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