新设备利用小弯曲运动的能量

该图说明了所提出的能量收集系统的原理。由锂合金硅制成的两个金属电极在电解质层周围形成一个三明治，电解质是一种离子（带电原子）可以移动的聚合物。当夹层板弯曲时，不相等的应力会导致锂离子在电解质上迁移，从而产生可被外部电路利用的补偿电子电流。当弯曲放松时，该过程逆转。几乎没有变化，该过程可以重复数千次。（为清楚起见，在图中极大地夸大了弯曲量。）

麻省理工学院的工程师采用了一种基于电化学原理的新方法，开发了一种新设备，该设备可以通过步行和其他环境运动来提供电源。

对于诸如生物医学，机械或环境监测设备的许多应用，利用小动作的能量可以提供小的但实际上是无限的电源。尽管尝试了许多方法，但麻省理工学院的研究人员现在已经基于电化学原理开发了一种全新的方法，该方法可能能够从更广泛的自然运动和活动（包括步行）中收集能量。

新的系统基于金属和聚合物板夹层的轻微弯曲，在《自然通讯》杂志上进行了描述，麻省理工学院的教授朱莉，研究生Sangtae Kim和Soon Ju Choi等人在一篇论文中进行了介绍。

先前设计的用于控制小动作的设备是基于摩擦电效应（本质上是摩擦，例如将气球靠在羊毛衫上摩擦）或压电体（晶体在弯曲或压缩时会产生很小的电压）。这些对于高频运动源（例如由机械振动产生的运动源）非常有效。但是对于诸如步行或锻炼之类的典型人类规模的运动，这种系统具有局限性。

“当您对这类传统材料产生冲动时，”它们会在几微秒内反应良好。但这并不符合大多数人类活动的时间尺度。巴特尔能源联盟核科学与工程学教授，材料科学与工程学教授李说。他还说：“此外，这些设备还具有很高的电阻抗和弯曲刚度，而且价格可能非常昂贵。”

简单灵活

相比之下，新系统使用的技术与锂离子电池类似，因此可以大规模廉价地生产。此外，这些设备具有固有的灵活性，从而使其与可穿戴技术更加兼容，并且在机械应力作用下破裂的可能性较小。

压电材料是基于纯物理过程的，而新系统是电化学的，如电池或燃料电池。它使用两片锂合金薄片作为电极，由一层浸有液体电解质的多孔聚合物隔开，该电解质可有效地在金属板之间传输锂离子。但是，与可充电电池先取电，存储然后释放的方式不同，该系统吸收机械能并输出电能。

当弯曲甚至很小的量时，层状复合材料就会产生压差，从而使锂离子挤压通过聚合物（就像在水脱盐中使用的反渗透过程一样）。它还会在两个电极之间的外部电路中产生抵消电压和电流，然后可以将其直接用于为其他设备供电。

由于只需要少量弯曲就可以产生电压，因此，在日常活动中将其绑在手臂或腿上时，这种设备的一端可能只承受很小的重量，从而导致金属由于普通运动而弯曲。 。与电池和太阳能电池不同，新系统的输出采用交流电（AC）的形式，流体首先沿一个方向移动，然后沿另一方向移动，因为材料先向后弯曲。

该设备将机械能转换为电能；因此，“不受热力学第二定律的限制”，李说，这为理论上可能的效率设定了上限。他说：“因此，原则上，[效率]可以是100％。”他说，在开发用于演示电化学机械工作原理的第一代设备中，“我们所希望的最好的效率是大约15％”。但是该系统可以容易地以任何期望的尺寸制造并且适合于工业制造过程。

时间考验

Li报告说，测试设备通过许多次弯曲和不弯曲的循环来保持其性能，在1500次循环后性能几乎没有下降。他说：“这是一个非常稳定的系统。”

李说，以前，新设备的潜在现象“被认为是电池界的寄生效应”，并且电池中的电压有时会引起弯曲。“我们恰恰相反。”李说，施加压力并获得电压作为输出。他说，除了作为潜在的能源外，这也可能是电化学中的一种辅助诊断工具。他说：“这是评估电池损坏机理的一种好方法，可以更好地了解电池材料。”

研究人员建议，除了利用日常运动为可穿戴设备供电以外，新系统还可以用作具有生物医学应用的执行器，或用于道路，桥梁，键盘或其他结构等环境中的嵌入式压力传感器。

普渡大学工业工程学助理教授吴文卓说：“这项工作非常有趣并且意义重大，因为它提供了一种使用简单的设计和装置结构通过电化学途径转化机械能的新颖方法。”没有参与这项工作。“更重要的是，来自演示设备的输出电流非常大，脉冲持续时间很长。这对于实际应用非常重要，因为大多数其他机械能量收集方法都存在着短脉冲持续时间下电流输出小的问题。”

Wenzhuo补充说：“有效地收集此类机械能将有助于开发功能更强大，智能化的可穿戴设备和人机界面。… 这项工作在诸如柔性电子，自供电传感器，可穿戴设备，人机界面，机器人技术，人造皮肤等许多应用中具有巨大潜力。”

该团队还包括博士后Kekejie Zhao（现为普渡大学助理教授）和访问研究生Giorgia Gobbi以及宾夕法尼亚州立大学的Hui Yang和Sulin Zhang。这项工作得到了美国国家科学基金会，麻省理工学院MADMEC竞赛，三星奖学金基金会和关正教育基金会的支持。

出版物：Sangtae Kim等人，“电化学驱动的机械能收集”，《自然通讯》第7期，文章编号：10146; doi：10.1038 / ncomms10146