“可穿戴微电网”从人体收集能量，为电子产品供电

可穿戴微电网利用人类汗水和运动产生的能量为LCD手表和电致变色设备供电。

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”，可从人体收集和存储能量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。

今天（2021年3月9日）在自然通信上发表的一篇论文中报道了这项技术，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：“我们正在运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。“就像城市的微电网集成了风能和太阳能等各种本地可再生能源一样，可穿戴的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。”

这件衬衫从人体收集和储存能量，为小型电子设备供电。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师称其为“可穿戴微电网”-它结合了穿戴者汗水和运动产生的能量，为穿戴设备提供了可持续的动力。

可穿戴微电网是由加州大学圣地亚哥分校纳米生物工程学教授约瑟夫·王（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，该教授是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的负责人，也是本研究的通讯作者。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。

生物燃料电池从汗液中获取能量。

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：“将两者加在一起，可以弥补彼此的不足。”“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分钟的训练过程中，对可穿戴微网格进行了测试，包括在自行车上锻炼或跑步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（一种可响应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的团队在2013年发表的一篇论文中首先报告了这些吸汗的可穿戴设备。后来，他们与加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的同事合作，将技术更新为可扩展且功能强大，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。那就是超级电容器的来历；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洗涤的影响。

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加在一起并将其称为系统。我们选择的零件都具有兼容的外形尺寸（此处的所有内容都是可打印的，灵活的和可拉伸的）；匹配性能；以及互补的功能，这意味着它们对于相同的场景（在这种情况下，是严格的运动）都是有用的。”

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。“我们不局限于这种设计。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。” Yin说。

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。

参考：陆寅，金敬南，吕建，Farshad Tehrani，林木洋，林祖增，林钟敏，马J琳，余佳璐，徐生和王若Joseph的自持可穿戴多模块电子纺织生物能源微电网系统，2021年3月9日，自然通信。DOI：
10.1038 / s41467-021-21701-7

这项工作得到了加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心和韩国国家研究基金会的支持。