可穿戴微电网利用人体可持续为小型设备供电

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种“可穿戴微电网”，该电网可收集并存储人体的能量来为小型电子设备供电。它由三个主要部分组成：汗水驱动的生物燃料电池，运动驱动的设备(称为摩擦发电机)和储能超级电容器。所有部件均柔软，可清洗，并且可以丝网印刷到衣服上。

该技术在3月9日发表于《自然通讯》上的一篇论文中进行了报道，该技术从社区微电网中汲取了灵感。

纳米工程博士学位的第一作者，第一作者，第一作者吕寅说：“我们正在使用微电网的概念来创建可穿戴系统，这些系统以可持续，可靠和独立的方式供电。” 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的学生。“就像城市微电网集成了风能和太阳能等各种本地可再生能源一样，可穿戴微电网集成了可从人体不同部位局部收集能量(如汗液和运动)的设备，同时又包含能量存储。”

(Joseph Wang)的纳米生物电子团队开发的柔性电子部件组合而成的。每个部分都丝网印刷在衬衫上，并以优化收集能量的方式放置。

从汗液中获取能量的生物燃料电池位于胸部的衬衫内。将运动中的能量转换成电能的设备(称为摩擦发电机)，位于衬衫的前臂外侧和躯干两侧靠近腰部的位置。他们在走路或跑步时从手臂对躯干的摆动运动中获取能量。胸部衬衫上方的超级电容器会暂时存储两个设备的能量，然后将其放电以为小型电子设备供电。

从运动和汗液中收集能量使可穿戴式微电网能够快速，连续地为设备供电。使用者一旦开始运动，摩擦发电机将立即提供电力，然后才停止流汗。一旦使用者开始出汗，生物燃料电池便开始提供电力，并在使用者停止运动后继续提供电力。

尹说：“当把这两个加在一起时，它们可以弥补彼此的缺点。” “它们是互补和协同的，以实现快速启动和持续供电。” 整个系统的启动速度比仅具有生物燃料电池的启动速度快两倍，并且使用寿命比仅摩擦发电器的使用寿命长三倍。

在30分钟的锻炼过程中，对可穿戴微网格进行了测试，包括骑自行车运动10分钟或跑步10分钟，然后休息20分钟。该系统能够在整个30分钟的过程中为LCD手表或小型电致变色显示器(一种响应于施加的电压而改变颜色的设备)供电。

大于其各部分的总和

生物燃料电池配备有酶，这些酶会触发人类汗液中的乳酸和氧分子之间的电子交换，从而产生电能。Wang的团队首先在2013年发表的一篇论文中报告了这些吸汗的可穿戴设备。与加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的同事合作，后来他们更新了该技术，使其具有可伸缩性和强大功能，足以运行小型电子设备。

摩擦发电机由置于前臂上的带负电的材料和置于躯干侧面的带正电的材料制成。当手臂在行走或跑步时靠在躯干上摆动时，带相反电荷的物质会相互摩擦并产生电能。

每个可穿戴设备均提供不同类型的电源。生物燃料电池提供连续的低电压，而摩擦发电器提供高电压的脉冲。为了使系统为设备供电，需要将这些不同的电压组合起来并调节为一个稳定的电压。超级电容器就是在那里涌来的。它们充当蓄能器，可暂时存储来自两个电源的能量，并可以根据需要将其释放。

尹将装置与供水系统进行了比较。

他说：“想象一下，生物燃料电池就像一个缓慢流动的水龙头，而摩擦发电器就像一个射出水流的软管。” “超级电容器是它们都供入的储罐，您可以根据需要从该储罐中抽出。”

所有部件均通过柔性的银色互连线连接，该互连线也印在衬衫上并通过防水涂层绝缘。只要不使用清洁剂，每个零件的性能都不会受到反复弯曲，折叠和弄皱或在水中清洗的影响。

尹说，这项工作的主要创新不是可穿戴设备本身，而是所有设备的系统化和高效集成。

“我们不只是将A和B加在一起并称为系统。我们选择的零件都具有兼容的外形尺寸(这里的一切都是可打印的，灵活的和可拉伸的)，匹配的性能以及互补的功能，这意味着它们对于同样的情况(在这种情况下，运动很严格)，”他说。

其他应用

该特定系统对于运动和用户正在锻炼的其他情况很有用。但这只是如何使用可穿戴微电网的一个例子。尹说：“我们不仅仅局限于这种设计。我们可以通过针对不同情况选择不同类型的能量收集器来适应该系统。”

研究人员正在研究其他设计，这些设计可以在用户坐在办公室内或在室外缓慢移动时收集能量。

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