- 頭條汗水或可為下一代可穿戴設備供電2020-11-24 作者：本社報道 | 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語人類汗液中的某些物質可用作可穿戴式燃料電池的燃料。汗水不只是水，它包含多種礦物質和其他物質，例如葡萄糖和乳酸。這些物質被稱為代謝產物，是生物體內不斷發生的化學過程副產物，它們可產生生物燃料，其中乳酸在汗液中的濃度更會隨著運動量的增加而增加。
據報道，日本索尼公司于近日開始銷售名為Reon Pocket的可穿戴空調，可以將人體體感溫度降低13攝氏度，或升高8攝氏度，成功實現了人們“把空調帶走”這個愿望。Reon Pocket用戶只需將設備放置在特制汗衫脖子后面的插槽中，通過手機App對其進行溫度調控，就可達到冬暖夏涼的效果。值得關注的是，它充滿電只需2小時，充一次電后待機可超過24小時，可持續使用90分鐘。
近年來，健身追蹤器、耳中增強音頻的可聽設備以及增強現實隱形眼鏡等各種各樣的可穿戴設備快速發展，并在智能服裝、智能設備、運動追蹤器以及醫療設備中得以廣泛應用。這些可穿戴設備的功率需求范圍從基本步數計數器的1毫瓦到更高級的智能手表的數十毫瓦，當使用容量為10～300毫安/小時的厘米級小電池時，這將導致其電池壽命最多只有幾天。
基于此，更長的電池壽命會是不錯的選擇，但對于當前的電池技術而言，存儲的能量與體積相關，而更大的電池會增加可穿戴設備的體積和質量，無法用于編織成紡織品或直接附著在用戶皮膚上。
一些研究人員通過開發新型的可拉伸電池和超級電容器來應對可穿戴電源的挑戰，但很難通過絲網印刷（這一過程可大大降低成本）來生產這種電池；其他開發商正在嘗試通過使用近距離無線通信芯片組來完全繞開電池，但是NFC技術要求可穿戴設備的幾厘米范圍內擁有外部電源（例如手機），一旦移開可穿戴設備就會停止工作。
因此，研究人員嘗試從身體或周圍環境中收集能量，較早的方法涉及利用運動，光線和熱量。但這些經過實踐檢驗的能量收集方法，卻很少能夠為小型、靈活、有用的可穿戴設備提供足夠的能量。例如，運動采集器非常適合手表應用，但是在佩戴最新可穿戴設備的區域（例如在胸部或耳朵上）時，卻沒有足夠的運動量來提供；熱電發電機只有在由鋁制成的大型散熱器來收集人體的熱量，并將其傳遞到設備時才能有效地轉化能量，如果可穿戴設備穿著在衣服下，熱電發電機和太陽能電池將無法正常工作。
近日，加利福尼亞大學圣地亞哥分校可穿戴傳感器中心的研究人員，認為可以從穿戴者的汗水中汲取能量以產生生物燃料，可以更好地為下一代可穿戴設備供電。他們發現，人類汗液中的某些物質可用作可穿戴式燃料電池的燃料。汗水不只是水，它包含多種礦物質和其他物質，例如葡萄糖和乳酸。這些物質被稱為代謝產物，是生物體內不斷發生的化學過程副產物，它們可產生生物燃料，其中乳酸在汗液中的濃度更會隨著運動量的增加而增加。
有意思的是，汗液并不是唯一的生物燃料來源，人類的身體還會產生各種潛在的生物燃料。例如，眼淚可以驅動智能隱形眼鏡，而唾液可以驅動智能護齒器。嬰兒的尿液可以為智能尿布提供動力，而使用微針從皮膚收集的液體可以為藥物輸送裝置提供動力。
來源：加利福尼亞大學可穿戴式傳感器中心
據介紹，燃料電池由兩個電極（一個陽極和一個陰極）組成，它們之間有電解質。為了將汗水轉化為數字手表或其他可穿戴設備的能量，燃料電池利用一層與汗液中的乳酸反應的酶來分解電子和質子。質子穿過膜到達陰極，而電子流到電路中，為設備供電。
與任何現有的能量轉化方法相比，這些生物燃料電池可以以更實用、更可穿戴的形式提供更高的功率密度。因為豐富的汗液很容易獲得，特別是當一個人在進行運動時。同時，考慮到運動員們早已廣泛地使用了各種可穿戴設備，這代表了汗水動力設備具有廣泛的潛在市場。
他們并不是第一個考慮使用體液作為燃料的研究人員，20世紀70年代一些原始起搏器和人工耳蝸就使用葡萄糖生物燃料電池供電。考慮到體內生物燃料的豐富性，將其用于可植入設備是一種合理的選擇。但缺點在于，用于催化燃料電池反應的酶會降解，并且電極會在幾天內停止運行，而恢復燃料電池運行的唯一方法是手術移除植入物，這顯然是不可行的。
為避免酶的消耗問題，加利福尼亞大學圣地亞哥分校可穿戴傳感器中心的研究人員重點開發了可穿戴在體外的一次性可穿戴設備。早在2014年，他們展示了首個生物燃料電池，即將乳酸生物燃料電池絲網印刷在織物頭帶和腕戴式護汗板上。在實驗中，生物燃料電池每平方厘米產生的功率高達100微瓦，足以為LED和手表供電。這要比將熱電發電機與小型，可穿戴式散熱片搭配使用時的功率密度要大，并且比在普通室內照明下工作的太陽能電池的功率密度大一些。
但由于可穿戴設備具有比數字手表更多的組件，因此它們消耗的功率大約為1毫瓦或2毫瓦，而提高可穿戴生物燃料電池的功率密度是一個長期的挑戰。經過不斷地研究驗證，他們發現增加電池的有效表面積并進一步改善催化劑的化學成分，能夠將功率密度提高10倍，達到每平方厘米1毫瓦。在陽光直射下，該功率密度接近小型太陽能電池的功率密度。
為了使該生物燃料電池更具柔韌性和伸展性，該研究團隊將陽極和陰極設計為一系列通過蛇形線圈連接的“島”，并用碳納米管覆蓋了每個陽極和陰極，形成了3D顆粒以增加電極的有效表面積。這種生物燃料電池點綴著成排的“島”，每個島都是一個3D電極。島的一半構成陽極，另一半形成陰極，這些島之間由可拉伸和彎曲的細的彈簧形金屬絲構成的可拉伸“橋”相連。
來源：加利福尼亞大學可穿戴式傳感器中心
但是，由于電極本身并不會拉伸，因此隨著時間的流逝，電極和電解質的熱失配會產生很大的應變并導致燃料電池失效。目前，該研究團隊正在努力解決此問題。而將汗水能量帶給可穿戴設備還有另一個更現實的問題，即在大多數情況下人們不會經常有汗水，或者汗水不足以產生大量能量。在運動和運動等應用程序中，這可能不是問題，但在大多數情況下，生物燃料電池并不能持續工作。
為解決這一問題，研究人員認為可以在可穿戴設備中添加能量存儲元素，或者在可穿戴設備中添加補充性的非生物燃料能量裝置。對于需要恒定能量供應的可穿戴設備（如智能手表），最好的解決方法是添加電池或超級電容器來充當能量緩沖裝置。如果燃料電池具有高功率密度，但電力供應斷斷續續，則可穿戴設備將在有電時為其電池充電，并在生物燃料電池停止發電時為電池放電，但此能量緩沖器需要具有與其余可穿戴設備相同的一般物理屬性。
汗水發電是一項新技術，當前仍然存在許多挑戰。一方面，并非所有人的出汗量都相同，因此必須確保該系統能夠適應各種條件；另一方面，需要更好地將這些生物燃料電池與其他能源和電子設備集成在一起，以創建更實用的可穿戴設備。此外，生物燃料電池的壽命還需進一步提高。未來，科學家們希望能研發出一種小型、靈活、堅固耐用且可水洗的可穿戴設備，這些設備可全天使用且無需充電。
