智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 王健恩
編輯 | 高歌
智東西7月15日消息，美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員發(fā)明了一種新型設備，戴在指尖上能夠通過手指出汗或輕按手指來發(fā)電，一晚上可以產(chǎn)生400毫焦耳的電量，足以支持電子手表（非智能手表）工作24小時。
這個設備看起來像一條薄而有韌性的帶子，可以像創(chuàng)可貼一樣纏繞在指尖上，穿戴者哪怕什么都不干，僅僅是坐著不動都能有源源不斷的能量產(chǎn)生，敲鍵盤、彈鋼琴，甚至是玩手機也會變成能量的來源。
這項研究于7月13日以一篇論文的形式發(fā)表在Joule雜志上，題目為A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment。
論文鏈接：https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2542-4351%2821%2900292-0
一、過去采集生物能過于低效，用指尖發(fā)電低投入高回報
過去十年間，可穿戴設備得到快速普及，但當前的穿戴設備主要依靠電池供電，能量和功率容量都有限，無法保證長期供電。因此，越來越多的科研人員將目光投向自供電可穿戴系統(tǒng)。
自供電可穿戴系統(tǒng)需要一種實用且高效的能量收集器來持續(xù)提供電力。然而，大多數(shù)生物能量采集器，是基于過度的身體運動而獲取能量，這是非常不切實際和低效的，只有不到1%的能量可以被收集。
為了解決這個問題，加州大學圣地亞哥分校的一組研究人員發(fā)明了一種裝置，可以從指尖的汗液中獲取能量，無需任何身體運動便可發(fā)電。
“我們設想這個設備可以用于任何需要‘觸摸’的場景，這是人們工作、生活中都會做的事情，目標是讓這款可穿戴設備自然地適合任何人?！奔{米工程教授Joseph Wang說。
指尖是身體上最容易出汗的部位，每一個指尖上都擠滿了上千個汗腺，產(chǎn)生的汗水比身體其他區(qū)域多100到1000倍。然而，指尖總是暴露在空氣中，汗水一出來就會蒸發(fā)。
“我們要做的是把汗水收集起來，它們可以產(chǎn)生大量能量，但是這并不意味著所有以汗水為能量源的設備都能在指尖工作?！闭撐牡墓餐谝蛔髡?、納米工程博士生Lu Yin說。
“在指尖這樣如此小的區(qū)域收集汗水并使其可用需要一些創(chuàng)新性的材料，研究人員必須處理好設備的不同部分，使其具有超強的吸水性，并能夠有效地將汗水中的化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能?！盠u Yin解釋道。
▲使指尖產(chǎn)生電能的貼片
二、讓汗液中乳酸與氧起化學反應而發(fā)電
這種設備可以戴在指尖上，將手指變成小型電子設備和傳感器的電源。這種設備的特別之處在于以汗液為能量，并且佩戴者無需進行任何動作就能發(fā)電。
使用時你僅需將這個條帶狀的設備纏繞于指尖上。當指尖出汗時，條帶上的碳泡沫電極墊能夠吸收汗水，而電極中的酶能觸發(fā)汗液中的乳酸分子和氧分子間的化學反應，從而產(chǎn)生電能。
另外電極下方是一個由壓電材料制成的芯片，按下時同樣會產(chǎn)生電能。當佩戴者出汗或按壓條帶時，電能會儲存在一個小型的電容器中，并在需要時釋放到其他設備。
▲基于觸摸的生物燃料電池和生物能量收集系統(tǒng)的操作示意圖
Lu Yin說：“這種設備是同類設備中的首創(chuàng)，與其他汗水驅(qū)動的可穿戴設備不同，這款可穿戴設備不需要鍛煉，也不需要佩戴者的身體投入就能發(fā)揮作用。這項工作可以讓可穿戴設備變得更實用、更方便、更容易被普通人接受?！?/p>
研究人員讓受試者將這個設備戴在一個指尖上，隨后受試者隨意打字和點擊鼠標，一個小時收集了近30毫焦耳能量。之后又讓受試者睡覺，10個小時的睡眠中收集了近400毫焦耳的能量，這足以為電子手表供電24小時。
“這只是一個指尖，如果將設備綁在其余十個指尖上，將產(chǎn)生10倍的能量?！毖芯咳藛T稱。
“當你使用其他通過鍛煉收集能量的設備時，比如跑步，你投入數(shù)百焦耳的能量只能讓設備產(chǎn)生幾毫焦耳的能量，這種情況下你的能量投資回報非常低。而有了這個設備，你幾乎不用專門為此投入任何能量就能得到回報?！盠u Yin說道。
三、指尖發(fā)電要繼續(xù)改進，將為低功率設備供電
不過，盡管這個設備實現(xiàn)了指尖發(fā)電，但是還遠沒有到我們丟掉充電器和電源線的時候。
研究人員提到，該設備或?qū)崿F(xiàn)為在毫瓦范圍內(nèi)運行的低功率電子設備（如手表）供電，尚不適合為智能手機等高性能電子設備持續(xù)供電。
該研究團隊的目標是讓這個設備變成一種實用設備，而不僅僅是證明有另一種可以產(chǎn)生少量能量的東西。他們希望最終可以利用這些能量為傳感器、顯示器等電子設備來供電。
為此，他們正在對這個設備進行進一步地改進，使其更加高效耐用。未來他們將研究把這個設備與其他類型的能量收集器相結(jié)合，以創(chuàng)建新一代自供電可穿戴系統(tǒng)。
結(jié)語：實用性仍待提高，拋開充電器仍是幻想
現(xiàn)在我們能接觸到的所有可穿戴設備如智能手環(huán)、無線耳機、智能眼鏡等都離不開各種充電設備，我們往往會在各種充電器和纏繞在一起的電源線中間忙的焦頭爛額。
用人體產(chǎn)生的生物能來發(fā)電，并給我們的可穿戴設備充電，好讓我們?nèi)拥舾鞣N復雜的充電器，這是多么奇妙的一個幻想。而如今加州大學的研究人員讓這個幻想有了實現(xiàn)的可能。
不過指尖發(fā)電的效率、耐用性、實用性等方面仍有很多問題要解決，要實現(xiàn)這個奇妙的幻想還有很長的路要走。
來源：Joule、Tech Xplore
