說到清潔能源，我們都知道風(fēng)能、水能以及太陽能等都可以用來發(fā)電，但你有沒有想過，利用人體體溫也能發(fā)電呢？
這項(xiàng)研究的通訊作者之一是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張倩，她的課題組目前主要研究分布在熱電半導(dǎo)體能源材料的電聲輸運(yùn)調(diào)控、熱電器件的設(shè)計(jì)與效率提升，柔性可穿戴發(fā)電與制冷器件等。
把皮膚熱能變電能
多年來，張倩和團(tuán)隊(duì)一直致力于設(shè)計(jì)熱電發(fā)電機(jī)，這項(xiàng)最新發(fā)表的研究成果包含了四大亮點(diǎn)：
這并不是天方夜譚，4 月 29 日，《細(xì)胞報告物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）雜志報告了一項(xiàng)創(chuàng)新成果，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研小組成功開發(fā)出一種小型、靈活的裝置，該裝置可以將人體皮膚散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)化為電能，且能實(shí)時為 LED 燈供電，而且測試表明，該裝置至少可經(jīng)受 10000 次反復(fù)彎曲，性能沒有明顯變化。
這項(xiàng)研究的通訊作者之一是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張倩，她的課題組目前主要研究分布在熱電半導(dǎo)體能源材料的電聲輸運(yùn)調(diào)控、熱電器件的設(shè)計(jì)與效率提升，柔性可穿戴發(fā)電與制冷器件等。
張倩表示：“不要低估我們身體和環(huán)境之間的溫差 —— 雖然很小，但實(shí)驗(yàn)表明它仍然可以發(fā)電，這是一個極具潛力的領(lǐng)域。” 研究小組希望這種 “體溫發(fā)電機(jī)” 在未來可以取代傳統(tǒng)電池，為可穿戴電子產(chǎn)品提供電力。
把皮膚熱能變電能
近年來，隨著個人醫(yī)療健康系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的可穿戴電子產(chǎn)品（如生物傳感器、智能手表、柔性發(fā)光器件、柔性顯示器和電子皮膚等）進(jìn)入了日常生活，這些可穿戴電子設(shè)備的功耗通常為 100 納瓦（nW）到 10 毫瓦（mW）不等，由一個微小的電池包模塊來供電，電量耗盡了可以循環(huán)充電，如想要提升續(xù)航時間，要么去改進(jìn)電池和低功耗系統(tǒng)的性能，要么發(fā)明一種全新的供電方式。
作為傳統(tǒng)電池的一種極具吸引力的替代品，熱電發(fā)電機(jī)（TEGs）擁有無工作流體、無運(yùn)動部件、運(yùn)行安靜、可靠性高、便于攜帶等獨(dú)特性能，有望打造出一種創(chuàng)新解決方案。
但傳統(tǒng)的 TEGs 材料是剛性的，與可穿戴電子設(shè)備不好兼容，因此，設(shè)計(jì)和制造柔性熱電發(fā)電機(jī)（flexible TEGs）成了很多科研團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。
多年來，張倩和團(tuán)隊(duì)一直致力于設(shè)計(jì)熱電發(fā)電機(jī)，這項(xiàng)最新發(fā)表的研究成果包含了四大亮點(diǎn)：
1、用 Mg3Bi2 基熱電材料制作了柔性熱電發(fā)電機(jī)（FTEG）；
2、具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的多孔聚氨酯（PU）基體提高了輸出電壓；
3、設(shè)計(jì)了具有高效傳熱表面的柔性印刷電路板（FPCB）電極；
4、該 FTEG 器件具有高功率密度和高可靠性。
經(jīng)過多種材料組合測試和方案改進(jìn)，研究人員最終獲得一種接近預(yù)期的 FTEG 設(shè)計(jì)，當(dāng)環(huán)境溫度為 289k（空氣速度為 1.1m/s）時，在人的手臂上顯示出每平方厘米 20.6 微瓦（W）的峰值功率密度，在溫差為 50k 時顯示出每平方厘米 13.8 毫瓦（mw）的峰值功率密度。在彎曲半徑為 13.4 毫米的情況下，10000 次彎曲循環(huán)后沒有顯著變化（小于 1.4%）。
最后，將尺寸為 28.8mm×115.2mm×2.5mm 的 FTEG 連接到人的手臂上，成功點(diǎn)亮了一盞 LED 燈，這表明所制備的 FTEG 有可能成為日常生活中某些可穿戴電子設(shè)備的實(shí)時電源。
圖｜FTEG 可穿戴實(shí)時電源，可連續(xù)將人體皮膚的熱能轉(zhuǎn)化為電能（來源：Cell Reports Physical Science）
制備工藝與測試
熱電（thermoelectric，TE）材料方面，研究人員在 N 型鎂鉍材料（Mg3Bi2）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)升級，并采用直接球磨和熱壓工藝制備出了質(zhì)量更高的 TE 支腿。
如下圖所示，先將 FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上，再由激光標(biāo)記去除多余的 PI 膜（聚酰亞胺薄膜），之后，把 n 型和 p 型 TE 支腿交替布置在陶瓷模板中，將 TE 模塊從陶瓷基板上剝離并用 PU 填充。
圖｜FTEG 制造工藝示意圖（來源：Cell Reports Physical Science）
此外，由于大部分體基 FTEG 是以硅橡膠為基體，特別是聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體制備的，其表面能較低，很難與無機(jī)材料結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員尋求采用一個更好的柔性聚合物矩陣，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，相對于 PDMS 材料，聚氨酯（PU）具有更強(qiáng)的附著力，特別是，他們有意創(chuàng)建了一個多孔聚氨酯基質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的拉伸性和壓縮性。這種多孔 PU 還具有較低的密度，使整個設(shè)備重量更輕，佩戴舒適。
由于多孔結(jié)構(gòu)阻擋了空氣對流，基體的 k 值遠(yuǎn)低于 TE 支腿的 k 值，因此當(dāng)人體熱量通過 FTEGs 時，相同高度下基體的溫度低于 TE 腿的溫度。熱量隨后將從 TE 支腿或頂部和底部電極橫向轉(zhuǎn)移至基體，結(jié)果就是，矩陣的 k 值很低，會降低整個 TE 模塊的總 k 值，從而導(dǎo)致 FTEG 內(nèi)的溫差增大。
圖｜PDMS 基質(zhì)與多孔 PU 基質(zhì)的性能比較（來源：Cell Reports Physical Science）
在最終的實(shí)驗(yàn)成品中，研究人員設(shè)計(jì)出了一種具有 18 對 TE 支腿的裝置，該裝置的總電阻為 230 毫歐姆（mΩ） ，由 TE 腳電阻（210mΩ）和接觸層和電極電阻（20mΩ）組成。
基于賽貝克效應(yīng)，輸出電壓會隨著溫差的增加而成比例增加，輸出功率密度是在 10–50K 的不同溫度下以 10K 的間隔獲得的，由產(chǎn)生的功率除以 FTEG 設(shè)備模塊的總面積計(jì)算得出。研究人員最終測得，在 289K 的環(huán)境溫度下，F(xiàn)TEG 可提供高達(dá)每平方厘米 20.6 微瓦（W）的電壓，測量的開路電位為 14.9 毫伏（mV），電壓密度為每平方厘米 18.0 毫伏（mV）。
圖｜器件的可靠性（來源：Cell Reports Physical Science）
此外，研究人員還采用 FPCB 工藝制備了銅（Cu）/ 聚酰亞胺（PI）復(fù)合電極，Cu/PI 復(fù)合電極具有優(yōu)越的耐久性。
一般銅膜電極在半徑為 1mm 處彎曲 10 次后就會破裂，但 Cu/PI 復(fù)合電極在不同彎曲方向以及從 40mm 到 10mm 的不同彎曲半徑上都表現(xiàn)出極好的可靠性，在一項(xiàng)測試中，以 13.4 mm 的半徑彎曲 10000 次后，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的性能變化。
圖｜FTEG 在人體手臂上的輸出性能（來源：Cell Reports Physical Science）
最后，使用高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有電源供應(yīng)和電源管理的集成自供電電子系統(tǒng)，可通過捕獲人體手臂的熱能，持續(xù)向 LED 小燈供電，實(shí)現(xiàn)了可穿戴電子實(shí)時電源的應(yīng)用。
結(jié)語
研究人員在結(jié)論中展望，這是一種低成本和可規(guī)模制備的 FTEG 穿戴，下一步，將根據(jù)功率要求和環(huán)境條件設(shè)計(jì)具有不同填充因子的 FTEG，比如集成其他功能的電子元件：脈沖測試、肌肉氧測試或無線傳輸?shù)取?/div>
不過話說回來，這種可以將人體皮膚散發(fā)的熱量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備固然很 “黑科技”，但原型產(chǎn)品看上去似乎并不小巧，怎么與當(dāng)前越來越輕便、精密的可穿戴設(shè)備融合進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，可能還有一段路要走。
基于這種貼在皮膚上就能發(fā)電的黑科技，未來的想象空間可能非常有趣。近年來，已有不少科學(xué)家開發(fā)出了先進(jìn)的電子皮膚技術(shù)，電子皮膚不僅能顯示信息，而且還具備觸覺傳感、測量血壓、脈搏等功能，兩類技術(shù)結(jié)合起來勢必會碰撞出新的火花。
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