盡管可穿戴設(shè)備有可能徹底革新人機(jī)交互，但它的廣泛采用受到不間斷、高效的能源供給的極大制約。這類設(shè)備需要為數(shù)據(jù)密集型傳感和傳輸提供可靠的能源，這進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的熱電解決方案在極低的電壓條件下無法達(dá)到令人滿意的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西南大學(xué) 、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院上海市創(chuàng)傷骨科研究所以及伊利諾伊大學(xué)香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，UIUC）吉斯商學(xué)院（Gies College of Business）等多所高校和科研單位成立的一支科研團(tuán)隊(duì)提出了一種集成了能量管理系統(tǒng)（EMS）的可穿戴熱電發(fā)電機(jī)（TEG）的最新解決方案，該方案可利用人體熱量為傳感器和藍(lán)牙供電。相關(guān)研究成果以“Flexible thermoelectric generator and energy management electronics powered by body heat”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

與之前的研究不同，該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新之處在于使熱電發(fā)電機(jī)能夠在人體皮膚和周圍環(huán)境間很小的溫差下（即4?K）持續(xù)工作，確保在短至1.6s的時(shí)間內(nèi)可靠地傳輸數(shù)據(jù)?。此外，該新系統(tǒng)可以在超低電壓（30?mV）條件下利用人體熱量充電，為不依賴電池的自供電可穿戴設(shè)備連續(xù)、可靠地監(jiān)測提供了新途徑。該研究的主要貢獻(xiàn)如下：（1）創(chuàng)新的能量管理系統(tǒng)：研究人員通過能量管理（EM）電路和超級電容器，有效地控制和利用了熱電發(fā)電機(jī)的不一致輸出，實(shí)現(xiàn)了器件在較低溫差下的運(yùn)行，顯著提高了可用性。（2）系統(tǒng)集成和通用性：研究人員將熱電偶和能量管理電子器件集成在同一聚酰亞胺（PI）襯底上，減輕了界面效應(yīng)，提高了柔性熱電發(fā)電機(jī)的歸一化功率密度，提高了能量轉(zhuǎn)換能力。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為從30?mV起步工作，擴(kuò)展了各種熱電器件的兼容性，簡化了自供電可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署。

該研究提出的是一種以人體熱量作為供能的可穿戴健康監(jiān)測手環(huán)（圖1a）。該手環(huán)集成了柔性熱電發(fā)電機(jī)（FTEG）、可穿戴能量管理電子器件、藍(lán)牙低功耗（BLE）無線芯片組、傳感器和外圍電子器件（原型如圖1b的插圖所示），可以佩戴在手腕上（圖1b）。在室溫下，碲化鉍基合金材料是具有良好性能的優(yōu)選熱電材料。三碲化二鉍（Bi2Te3）熱電顆粒被選為柔性熱電發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)建塊，以創(chuàng)建皮膚和環(huán)境之間的溫差來發(fā)電。P型和N型三碲化二鉍顆粒交錯(cuò)排列，采用聚酰亞胺膜作為柔性襯底，底部和頂部的聚酰亞胺與銅電極連接，形成π型結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)柔性熱電發(fā)電機(jī)的電連接（圖1c）。

圖1 集成柔性熱電發(fā)電機(jī)和能量管理系統(tǒng)的自供電可穿戴手環(huán)

傳感器實(shí)時(shí)采集皮膚溫度數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙鏈路無線傳輸至新開發(fā)的健康監(jiān)測移動(dòng)應(yīng)用終端，實(shí)現(xiàn)人體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖1e）。柔性電路使用聚酰亞胺膜作為襯底，從而實(shí)現(xiàn)柔性熱電發(fā)電機(jī)、能量管理系統(tǒng)、傳感器、藍(lán)牙低功耗和外圍電子器件的完全柔性集成。新型集成能量管理系統(tǒng)的健康監(jiān)測手環(huán)與發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能相匹配，因此柔性熱電發(fā)電機(jī)可以在較低的溫差下穩(wěn)定工作，克服了傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備對電池維護(hù)的限制。

目前的柔性熱電發(fā)電機(jī)通常不關(guān)注器件電極排布中的應(yīng)力流。在實(shí)際應(yīng)用中，柔性器件在使用過程中需要彎曲。P型和N型熱電顆粒和電極在彎曲過程中受到較大的應(yīng)力變化。因此，研究人員從應(yīng)力流的角度分析了傳統(tǒng)的電極排布后，提出了一種低應(yīng)力電極排布方案。

研究人員比較了柔性熱電發(fā)電機(jī)的兩種電極排布在不同撓度下的應(yīng)力分布，設(shè)置了銅電極的應(yīng)力閾值，并分別計(jì)算了柔性熱電發(fā)電機(jī)不同撓度下電極數(shù)量與總電極數(shù)量的比值（圖2a、b）。傳統(tǒng)的電極排布的閾值比明顯高于該研究中使用的電極排布的閾值比（圖2c）。從應(yīng)力分布圖中可以明顯看出，傳統(tǒng)的電極排布在彎曲狀態(tài)下受到更大的應(yīng)力，這不利于高柔性需求的可穿戴場景。因此，在設(shè)計(jì)柔性可穿戴設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用條件進(jìn)行應(yīng)力分析，使器件能夠在低應(yīng)力狀態(tài)下工作，提高器件的耐久性。

圖2 柔性熱電發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

隨著柔性熱電發(fā)電機(jī)包括后端能量管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸電子器件的完整和靈活集成，研究人員開發(fā)了一種適用于人類健康監(jiān)測的柔性手環(huán)（圖3a）。柔性熱電發(fā)電機(jī)的功能基于人體皮膚和周圍環(huán)境之間的溫差，其輸出電流和電壓隨著溫度梯度增大而增加（圖3b）。在正常狀態(tài)下，當(dāng)溫差為2?K時(shí)，柔性熱電發(fā)電機(jī)提供89 mV的穩(wěn)定輸出電壓?，電流為3?mA，該如此小的溫差下，實(shí)現(xiàn)了可靠的供電。柔性熱電發(fā)電機(jī)輸出極性連接到能量管理系統(tǒng)。無論柔性熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性是正極還是負(fù)極，能量管理系統(tǒng)都能正常工作，解決了柔性熱電發(fā)電機(jī)冷端和熱端反轉(zhuǎn)導(dǎo)致輸出電壓極性反轉(zhuǎn)的問題（即使環(huán)境溫度高于人體溫度，只要溫差達(dá)到2?K，集成了能量管理系統(tǒng)的柔性熱電發(fā)電機(jī)就可良好運(yùn)轉(zhuǎn)）。

圖3 小溫差下能量管理電子器件的性能

為了評估柔性熱電發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的性能，研究人員構(gòu)建了一個(gè)柔性熱電測試平臺(tái)（圖4a）。水浴加熱平臺(tái)和燒杯作為熱源，冷凝器管幫助冷端冷卻。并在冷端和熱端固定有鋁箔，以確保整個(gè)柔性熱電發(fā)電機(jī)的溫度分布的均勻性。研究人員通過調(diào)節(jié)水浴和冷凝液溫度來調(diào)節(jié)熱端和冷端之間的溫差。

研究人員通過改變溫差，在平面和彎曲狀態(tài)下對柔性熱電發(fā)電機(jī)進(jìn)行了熱電性能測試（圖4b為平面狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，圖4c為彎曲狀態(tài)下的數(shù)據(jù)）。研究人員設(shè)定的彎曲半徑為30?mm，相當(dāng)于成年男性手腕的平均半徑。研究人員通過比較平面狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，觀察到當(dāng)溫差超過5?K時(shí)，柔性熱電發(fā)電機(jī)在平面狀態(tài)下的內(nèi)阻約為15Ω?；然而，當(dāng)手環(huán)被穿戴處于彎曲狀態(tài)下時(shí)，內(nèi)阻增加到約60Ω，因此，與未彎曲的狀態(tài)相比，柔性熱電發(fā)電機(jī)在彎曲狀態(tài)下的輸出功率降低到約五分之一。

圖4 柔性熱電發(fā)電機(jī)平面和彎曲狀態(tài)下的性能測試

綜上所述，在該研究中，研究人員提出了一種完全柔性的人體熱量驅(qū)動(dòng)的自供電健康監(jiān)測可穿戴設(shè)備，該設(shè)備集成了柔性熱電發(fā)電機(jī)和能量管理電子器件。柔性熱電發(fā)電機(jī)捕獲人體熱能并將其轉(zhuǎn)換為電能，為柔性熱電發(fā)電機(jī)量身定制的能量管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的能量管理，為后端傳感器和無線傳輸模塊供電，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的人體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，研究人員從應(yīng)力流的角度對柔性熱電發(fā)電機(jī)電極排布進(jìn)行了深入分析，并引入了低應(yīng)力電極排布。與傳統(tǒng)的π型結(jié)構(gòu)相比，在穿戴狀態(tài)下電極應(yīng)力顯著降低，大大提高了器件的可靠性。

研究人員證明，新開發(fā)的柔性熱電發(fā)電機(jī)和能量管理系統(tǒng)可以在正常和穿戴狀態(tài)下，分別在2?K和4?K的溫差下為傳感器和藍(lán)牙低功耗供電。仿真的人體熱量驅(qū)動(dòng)的柔性熱電發(fā)電機(jī)和能量管理系統(tǒng)能夠?yàn)?a target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的“自我意識(shí)”場景提供可靠、不間斷的健康狀態(tài)監(jiān)測，為更可靠、更環(huán)保的可穿戴設(shè)備提供了機(jī)會(huì)。研究人員注意到，在可穿戴應(yīng)用中，對更安全的熱電材料的需求將推動(dòng)未來的研究，使其朝著增強(qiáng)生物相容性和改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。此外，能量管理方法的適應(yīng)性值得探索，以增強(qiáng)最先進(jìn)的柔性熱電發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，例如先進(jìn)的熱電纖維和顆粒，以用于實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。

審核編輯：劉清