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加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種 "可穿戴微電網(wǎng)"，可以從人體中收集和儲存能量，為小型電子產(chǎn)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(fā)電機(jī)的運(yùn)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(wǎng)印刷到衣服上。
3月9日發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文報道了這項(xiàng)技術(shù)，它從社區(qū)微電網(wǎng)中獲得了靈感。研究人員應(yīng)用微電網(wǎng)的概念來創(chuàng)建可持續(xù)、可靠和獨(dú)立供電的可穿戴系統(tǒng)。就像城市微電網(wǎng)整合了風(fēng)能和太陽能等各種本地可再生電源一樣，可穿戴式微電網(wǎng)整合了一些設(shè)備，這些設(shè)備可以從身體的不同部位局部采集能量，比如汗水和運(yùn)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(chǎn)品供電。它結(jié)合了穿戴者的汗水和運(yùn)動的能量，為可穿戴設(shè)備提供可持續(xù)的電力。可穿戴式微電網(wǎng)由柔性電子部件組合而成，這些部件是由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授Joseph Wang的納米生物電子學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，他是加州大學(xué)圣地亞哥分校可穿戴式傳感器中心的主任，也是本次研究的通訊作者。每個部件都被絲網(wǎng)印刷到襯衫上，并以優(yōu)化收集能量的方式放置。
從汗水中收集能量的生物燃料細(xì)胞位于襯衫內(nèi)部的胸部。將運(yùn)動中的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置，稱為三聯(lián)發(fā)電機(jī)，位于襯衫外的前臂和軀干兩側(cè)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(yùn)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(shè)備的能量，然后放電為小型電子產(chǎn)品供電。
從運(yùn)動和汗水中收集能量，使可穿戴微電網(wǎng)能夠快速、持續(xù)地為設(shè)備供電。只要用戶開始移動，在出汗之前，三電發(fā)電機(jī)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(xù)提供電力。
當(dāng)你把這兩者加在一起的時候，它們就能彌補(bǔ)彼此的不足。它們相輔相成，協(xié)同作戰(zhàn)，可以實(shí)現(xiàn)快速啟動和持續(xù)供電。整個系統(tǒng)的啟動速度比僅有生物燃料電池單獨(dú)啟動快2倍，持續(xù)時間比單獨(dú)使用三電發(fā)電機(jī)長3倍。
可穿戴式微電網(wǎng)在30分鐘的時間內(nèi)對一名受試者進(jìn)行了測試，測試內(nèi)容包括在自行車機(jī)上運(yùn)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(tǒng)能夠?yàn)長CD腕表或小型電致變色顯示器供電。
生物燃料細(xì)胞配備了酶，可以觸發(fā)人體汗液中乳酸和氧氣分子之間的電子交換，從而產(chǎn)生電力。Wang的團(tuán)隊(duì)在2013年發(fā)表的一篇論文中首次報道了這些汗液收集可穿戴設(shè)備。他們與加州大學(xué)圣地亞哥可穿戴傳感器中心的同事合作，后來更新了這項(xiàng)技術(shù)，使其具有可伸展性和強(qiáng)大的功能，足以運(yùn)行小型電子產(chǎn)品。
三電發(fā)生器由一種帶負(fù)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(cè)。當(dāng)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(chǎn)生電力。每種可穿戴設(shè)備都能提供不同類型的電力。生物燃料電池提供連續(xù)的低電壓，而三電發(fā)電機(jī)則提供高電壓脈沖。為了讓系統(tǒng)為設(shè)備供電，需要將這些不同的電壓組合起來，并調(diào)節(jié)成一個穩(wěn)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(jù)需要進(jìn)行放電。
(原標(biāo)題：科學(xué)家研發(fā)可穿戴微電網(wǎng) 采集人體能量為電子器件供電)
浙公網(wǎng)安備 33010602000006號
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