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|汗水或可为下一代可穿戴设备供电( 二 )


他们并不是第一个考虑使用体液作为燃料的研究人员 ， 20世纪70年代一些原始起搏器和人工耳蜗就使用葡萄糖生物燃料电池供电 。 考虑到体内生物燃料的丰富性 ， 将其用于可植入设备是一种合理的选择 。 但缺点在于 ， 用于催化燃料电池反应的酶会降解 ， 并且电极会在几天内停止运行 ， 而恢复燃料电池运行的唯一方法是手术移除植入物 ， 这显然是不可行的 。
为避免酶的消耗问题 ， 加利福尼亚大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的研究人员重点开发了可穿戴在体外的一次性可穿戴设备 。 早在2014年 ， 他们展示了首个生物燃料电池 ， 即将乳酸生物燃料电池丝网印刷在织物头带和腕戴式护汗板上 。 在实验中 ， 生物燃料电池每平方厘米产生的功率高达100微瓦 ， 足以为LED和手表供电 。 这要比将热电发电机与小型 ， 可穿戴式散热片搭配使用时的功率密度要大 ， 并且比在普通室内照明下工作的太阳能电池的功率密度大一些 。
但由于可穿戴设备具有比数字手表更多的组件 ， 因此它们消耗的功率大约为1毫瓦或2毫瓦 ， 而提高可穿戴生物燃料电池的功率密度是一个长期的挑战 。 经过不断地研究验证 ， 他们发现增加电池的有效表面积并进一步改善催化剂的化学成分 ， 能够将功率密度提高10倍 ， 达到每平方厘米1毫瓦 。 在阳光直射下 ， 该功率密度接近小型太阳能电池的功率密度 。
为了使该生物燃料电池更具柔韧性和伸展性 ， 该研究团队将阳极和阴极设计为一系列通过蛇形线圈连接的“岛” ， 并用碳纳米管覆盖了每个阳极和阴极 ， 形成了3D颗粒以增加电极的有效表面积 。 这种生物燃料电池点缀着成排的“岛” ， 每个岛都是一个3D电极 。 岛的一半构成阳极 ， 另一半形成阴极 ， 这些岛之间由可拉伸和弯曲的细的弹簧形金属丝构成的可拉伸“桥”相连 。
|汗水或可为下一代可穿戴设备供电
本文插图
来源：加利福尼亚大学可穿戴式传感器中心
但是 ， 由于电极本身并不会拉伸 ， 因此随着时间的流逝 ， 电极和电解质的热失配会产生很大的应变并导致燃料电池失效 。 目前 ， 该研究团队正在努力解决此问题 。 而将汗水能量带给可穿戴设备还有另一个更现实的问题 ， 即在大多数情况下人们不会经常有汗水 ， 或者汗水不足以产生大量能量 。 在运动和运动等应用程序中 ， 这可能不是问题 ， 但在大多数情况下 ， 生物燃料电池并不能持续工作 。
为解决这一问题 ， 研究人员认为可以在可穿戴设备中添加能量存储元素 ， 或者在可穿戴设备中添加补充性的非生物燃料能量装置 。 对于需要恒定能量供应的可穿戴设备（如智能手表） ， 最好的解决方法是添加电池或超级电容器来充当能量缓冲装置 。 如果燃料电池具有高功率密度 ， 但电力供应断断续续 ， 则可穿戴设备将在有电时为其电池充电 ， 并在生物燃料电池停止发电时为电池放电 ， 但此能量缓冲器需要具有与其余可穿戴设备相同的一般物理属性 。
汗水发电是一项新技术 ， 当前仍然存在许多挑战 。 一方面 ， 并非所有人的出汗量都相同 ， 因此必须确保该系统能够适应各种条件；另一方面 ， 需要更好地将这些生物燃料电池与其他能源和电子设备集成在一起 ， 以创建更实用的可穿戴设备 。 此外 ， 生物燃料电池的寿命还需进一步提高 。 未来 ， 科学家们希望能研发出一种小型、灵活、坚固耐用且可水洗的可穿戴设备 ， 这些设备可全天使用且无需充电 。


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