电源/性能位:4月27日

能量采集的衬衫
加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种“可穿戴的微型智能电网"的它从人体中收集并储存能量，为小型电子设备供电。

微电网由三个主要部分组成:汗液驱动生物燃料电池、运动驱动摩擦发电机和储能超级电容器。所有部件都是灵活的，可清洗，并可丝网印刷到衣服上。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士生Lu Yin说:“我们正在应用微电网的概念来创建可持续、可靠和独立供电的可穿戴系统。”“就像城市微电网集成了各种本地可再生能源，如风能和太阳能一样，可穿戴微电网集成了从身体不同部位收集能量的设备，如汗水和运动，同时包含能量存储。”

从汗液中获取能量的生物燃料电池位于衬衫内部的胸部。摩擦发电机安装在衬衫外的前臂和躯干两侧靠近腰部的地方，用于在走路或跑步时从手臂对躯干的摆动运动中收集能量。胸前衬衫外的超级电容器可以暂时储存来自两个设备的能量，然后将其放电，为小型电子设备供电。

生物燃料电池使用酶，触发人体汗液中乳酸和氧分子之间的电子交换来发电。它们具有可拉伸性和足够的功率来运行小型电子设备。

这种可穿戴微电网利用人体汗液和运动产生的能量为液晶手表和电致变色设备供电。(来源:卢银/加州大学圣地亚哥分校)

利用运动和汗水的能量，可穿戴微电网可以快速持续地提供电力。只要穿戴者开始运动，摩擦发电机就会提供动力。一旦穿戴者出汗，生物燃料电池就会开始供电，并在用户停止运动后继续供电。

“当你把这两者加在一起时，它们就弥补了彼此的缺点，”尹说。“它们是互补和协同的，可以实现快速启动和持续供电。”整个系统启动速度比单独使用生物燃料电池快两倍，持续时间是单独使用摩擦发电机的三倍。

生物燃料电池提供持续的低电压，而摩擦发电机提供高电压脉冲。超级电容器有助于组合和调节成一个稳定的电压。

这些部件由柔性银互连连接，这些银互连也印在衬衫上，并通过防水涂层绝缘。每个部件的性能不受反复弯曲、折叠和皱缩，或在无洗涤剂的水中洗涤的影响。

尹说，不同组件的整合赋予了服装潜力。“我们不只是把A和B加在一起，然后称之为一个系统。我们选择的零件都具有兼容的形状因素(这里的一切都是可打印的，灵活的和可拉伸的);匹配性能;以及互补的功能，这意味着它们都适用于相同的场景(在这种情况下，严格的运动)。”

可穿戴式微电网在30分钟的测试中对一名受试者进行了测试，其中包括在自行车机上锻炼10分钟或跑步10分钟，然后休息20分钟。该系统能够在每30分钟的会话中为LCD手表或小型电致变色显示器供电。

虽然目前的系统是为体育活动而设计的，但尹说，研究团队正在研究其他设计，以在不同的情况下收集能量，比如坐着或轻柔的运动。“我们并没有局限于这种设计。我们可以根据不同的场景选择不同类型的能量采集器来适应系统。”

来自无线电波的能量
宾夕法尼亚州立大学、赫瑞瓦特大学和河北工业大学的研究人员正在寻找方法电力可穿戴电子产品用无线电波。

他们并没有取代太阳能和摩擦电力等其他能源收集方法，而是试图增强它们。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系教授程焕宇(音译，Huanyu“Larry”Cheng)说:“我们不想取代现有的任何一种能源。”“我们正在努力提供额外的、持续的能源。”

研究人员开发了一种可拉伸的宽带偶极天线系统，能够无线传输从健康监测传感器收集的数据。该系统由两个可拉伸的金属天线组成，该天线集成在带有金属涂层的导电石墨烯材料上。该系统的宽带设计使其即使在拉伸、弯曲和扭曲时也能保持频率功能。

然后，该系统连接到可拉伸整流电路，形成整流天线，或整流天线，能够将能量从电磁波转换为电能。这些能量被用来为设备上的传感模块供电，这些模块可以跟踪温度、水合作用和脉冲氧气水平，也可以用来为电池或超级电容器充电。虽然它产生的能量比其他方法少，但它可以连续工作。

Cheng说:“我们正在利用我们周围已经存在的能量——无线电波无处不在，每时每刻。”“如果我们不利用环境中发现的这种能量，它就是浪费。我们可以收集这些能量，并将其转化为能量。”

Cheng说:“我们下一步将探索这些电路的小型化版本，并致力于开发整流器的可拉伸性。”“在这个平台上，我们可以轻松地将这项技术与我们过去创建的其他模块相结合并应用。它很容易扩展或适应其他应用，我们计划探索这些机会。”

导电纤维素线
查尔姆斯理工大学、阿尔托大学、KTH皇家理工学院、Borås大学和中央大学的研究人员开发了由导电纤维素制成的线用于电子纺织品。

“微型、可穿戴的电子设备在我们的日常生活中越来越普遍。但目前，它们往往依赖于稀有材料，在某些情况下是有毒的材料。它们还导致电子垃圾逐渐堆积成大山。电子纺织品确实需要有机、可再生材料，”查尔姆斯理工大学化学与化学工程系和瓦伦堡木材科学中心的博士生Sozan Darabi说。“这种纤维素线可以用无毒、可再生和天然材料制成内置电子智能功能的服装。”

研究人员使用标准家用缝纫机将导电纤维素线缝进织物中，制成了一种热电纺织品，当它的一侧被加热时，比如被人的体温加热时，它会产生少量的电流。在37摄氏度(98.6华氏度)的温差下，这种纺织品可以产生约0.2微瓦的电力。

研究人员用导电聚合物材料PEDOT: PSS染色，使其具有导电性。研究人员的测量表明，染色过程使纤维素线具有与体积相关的36 S/cm-的创纪录高导电性，通过添加银纳米线可以将其增加到181 S/cm。这条线至少可以处理五次机洗而不丧失其导电性。

深色的纱线是纤维素纱线，浅色的是一种市售的镀银纱线，两者都是导电的。研究人员用一种特殊的方式将两条线分别缝在织物上，使织物具有热电子性能。(来源:安娜-莉娜·伦德奎斯特/查尔姆斯理工大学)

通过将纤维素纱线集成到电化学晶体管中，研究人员能够证明其电化学功能。

“纤维素是一种极好的材料，可以持续提取和回收，未来我们会看到它的使用越来越多。当产品使用统一的材料或尽可能少的材料时，回收过程就会变得更容易、更有效。从另一个角度来看，纤维素线对电子纺织品的发展非常有前景，”查尔姆斯理工大学化学与化学工程系教授克里斯蒂安·Müller说。