可穿戴設(shè)備和幾乎所有其他技術(shù)一樣，都需要能源。不過，幸運(yùn)的是，在可穿戴設(shè)備適度的電力預(yù)算下，能源實(shí)際上無處不在。它存在于陽光和無線電波、皮膚的汗液和體溫、一個(gè)人的動作和腳步聲中。如今，技術(shù)正在成熟，可以收獲大量的能量贈品，將可穿戴設(shè)備從需要電池的狀態(tài)中解放出來。這對一系列公司和研究人員來說似乎很有吸引力。

“能源是我們認(rèn)為理所當(dāng)然存在的東西，感覺就像空氣一樣無所不在。但我們確實(shí)需要長期輸出這種能源，”Alper Bozkurt說，他與Veena Misra共同領(lǐng)導(dǎo)了北卡羅來納州立大學(xué)先進(jìn)自供電集成傳感器和技術(shù)中心（Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies，ASSIST）。

今天最著名的可穿戴能源收集技術(shù)當(dāng)然是太陽能，它從陽光或環(huán)境光中提取電子。但太陽能只是剛剛開始。研究人員發(fā)現(xiàn)，有多種選擇可以獲得足夠的微瓦能量來更換可穿戴設(shè)備的電池。其中包括壓電發(fā)電機(jī)和摩擦發(fā)電機(jī)，它們利用機(jī)械應(yīng)變和材料的靜電特性來發(fā)電。同時(shí)，眾所周知的電磁感應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生顛簸、跳躍和大步，產(chǎn)生微小但仍然有用的電流。

雖然可穿戴設(shè)備通常不需要太多電力，但可穿戴設(shè)備必須易于佩戴。一個(gè)裝有巨大太陽能電池板的背包在技術(shù)上可能可行，但在現(xiàn)實(shí)中不行。

需求和能源的多樣性在最近的一系列能源收集研究中顯而易見，包括一些整合多種模式的混合工作。

汗液的力量

加州理工學(xué)院的Wei Gao開發(fā)了一種自供電的“電子皮膚”。他說，電子皮膚是一種直接應(yīng)用于皮膚的傳感器嵌入式設(shè)備，用于讀取和傳輸心率、體溫、血糖和代謝副產(chǎn)物等健康指標(biāo)。

Gao說：“個(gè)性化醫(yī)療可以徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療實(shí)踐。但要結(jié)合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設(shè)計(jì)和工具。其中最重要的是能量存儲（和發(fā)電）。”

Gao的第一款電子皮膚于2020年4月生產(chǎn)，由柔軟柔韌的橡膠制成，它利用患者的汗水為設(shè)備提供動力。該設(shè)備使用內(nèi)置的燃料電池，吸收汗液中的乳酸，并將其與大氣中的氧氣結(jié)合，生成水和丙酮酸鹽。通過這個(gè)過程，生物燃料產(chǎn)生了足夠的電力，為電子皮膚的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸提供動力，將電容器從1.5伏持續(xù)充電到3.8伏，持續(xù)充電約60小時(shí)。（對于電容器來說，電壓轉(zhuǎn)化為存儲的電子——電容器兩端的電壓降與其總電荷成比例。）

幾個(gè)月后，Gao和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)電子皮膚模型，該模型利用運(yùn)動產(chǎn)生的動能來產(chǎn)生摩擦電，即從不同靜電性質(zhì)的材料的相對運(yùn)動中釋放電流。這種第二代電子皮膚夾著聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片，隨著人的移動而滑動，產(chǎn)生0.94毫瓦的最大功率。

團(tuán)隊(duì)接下來將轉(zhuǎn)向3D打印。在9月份發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6492）中，他們3D打印了一種名為e3皮膚（表流體彈性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統(tǒng)的基本組件——物理傳感器、化學(xué)傳感器、微流體和超級電容器。

該平臺使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極等，以及由太陽能電池供電的微型超級電容器。Gao說，3D打印的精度使研究人員能夠創(chuàng)建用于健康狀況早期預(yù)警和診斷的定制組件。

可穿戴技術(shù)與動物？

許多關(guān)于可穿戴技術(shù)的討論都集中在健康或其他人類需求上。但由于目前的技術(shù)還不夠，生物學(xué)家們也在研究用于追蹤動物的能量采集。電池的能量總是不及動物 —— 太陽能對夜間活動的動物或弱光環(huán)境中的生物不起作用。一個(gè)從跑步者晚間慢跑中獲取能量的小裝置顯然不適用于重達(dá)一噸的大型野牛。

這些挑戰(zhàn)激發(fā)了哥本哈根大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和德國馬克斯·普朗克動物行為研究所的研究團(tuán)隊(duì)，為他們的目的構(gòu)建一個(gè)更好的可穿戴尺寸生成器：理想情況下，跟蹤野生動物的一生。目前，對于大多數(shù)哺乳動物來說，使用電池和太陽能設(shè)備是無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。

在5月份發(fā)表在PLoS One上的研究（https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0285930 - sec010）中，他們詳細(xì)介紹了Kinefox，一種野生動物只需通過移動就能充電的GPS跟蹤器。該團(tuán)隊(duì)用三種動物測試了他們的設(shè)備：四只家狗、一匹埃克斯穆爾小馬和一頭歐洲野牛。

該團(tuán)隊(duì)的靈感來源于自18世紀(jì)末以來一直存在的自動上弦手表，它將手腕運(yùn)動轉(zhuǎn)化為能量。因此，研究人員購買了一款為可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的商用微型發(fā)電機(jī)，名為Kinetron MSG32。他們將其與鋰離子電容器和定制的GPS追蹤器相結(jié)合，該追蹤器通過Sigfox低功耗無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

馬克斯·普朗克動物行為研究所的客座科學(xué)家Troels Gregersen說：“我們想把已經(jīng)創(chuàng)造出來的東西進(jìn)行調(diào)整使其適用于動物追蹤，盡管它最初并不是為此而設(shè)計(jì)的。”

研究人員的第一個(gè)版本將Kinefox安裝在動物現(xiàn)有的項(xiàng)圈和背帶上，以便觀察和學(xué)習(xí)。

然而，Gregersen說：“我們給野牛戴上的第一個(gè)項(xiàng)圈立即被摧毀了。它們是900公斤重的動物，又在奔跑。這在人類可穿戴設(shè)備中不是一個(gè)用例。”

根據(jù)第一個(gè)版本的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)最終創(chuàng)建了一個(gè)自定義跟蹤器和項(xiàng)圈。他們將微型發(fā)電機(jī)的鐘擺式自動手表機(jī)芯粘在一個(gè)鐵磁環(huán)上，將組合放在一圈銅線周圍。當(dāng)鐘擺隨著動物的運(yùn)動來回?cái)[動時(shí)，環(huán)在線圈中產(chǎn)生交流電，電壓倍增電路將其轉(zhuǎn)換為直流電。

Gregersen說：“當(dāng)動物出生時(shí)，可以放置一次追蹤器，這很有價(jià)值。如果某個(gè)東西可以傳輸新類型的數(shù)據(jù)，或者它可以持續(xù)更長的時(shí)間，那么它的應(yīng)用就具有價(jià)值。”

Kinefox是開源的，文件發(fā)布在GitHub上。并且，馬克斯·普朗克的研究人員表示，傳統(tǒng)的野生動物跟蹤器的價(jià)格為3500至4000歐元，而Kinefox的材料價(jià)格約為270歐元。Gregersen說，該團(tuán)隊(duì)正在與總部位于荷蘭蒂爾堡的Kinetron公司進(jìn)行談判，以生產(chǎn)專門為動物設(shè)計(jì)的微型發(fā)電機(jī)。

挑戰(zhàn)：可持續(xù)性和行業(yè)合作

展望未來，一些研究人員專注于將獨(dú)特的材料結(jié)合起來，并用更可持續(xù)的材料創(chuàng)建能源收集系統(tǒng)。包括日本東北大學(xué)研究人員（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2300163X?via%3Dihub）在內(nèi)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種耐用、高效的能量采集器，該采集器將壓電復(fù)合材料與碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）相結(jié)合。

該小組使用CFRP、鈮酸鈉鉀（KNN）納米顆粒和環(huán)氧樹脂制造了他們的設(shè)備。東北大學(xué)研究生、該研究的合著者Yu Yaonan說，即使使用了10萬次，該設(shè)備仍然可以儲存它產(chǎn)生的電力。

Yu說，這種強(qiáng)度和能量產(chǎn)生的結(jié)合可以用于幾種類型的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括加固橋梁和高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)裂縫、坑洞或其他損壞時(shí)，這些系統(tǒng)可以感知。

另外，ASSIST中心的Bozkurt表示，最佳應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹菙?shù)據(jù)分析，以及匹配能量收集能力，以收集和傳輸用戶真正需要的數(shù)據(jù)。

審核編輯：彭菁