【導(dǎo)讀】一些可穿戴設(shè)備制造商不認(rèn)為能量收集（任何形式）是有意義的設(shè)計。為了追求自供電的可穿戴設(shè)備，電子開發(fā)人員正在尋求改變?nèi)缃襁@種狀況。
一些可穿戴設(shè)備制造商不認(rèn)為能量收集（任何形式）是有意義的設(shè)計。為了追求自供電的可穿戴設(shè)備，電子開發(fā)人員正在尋求改變?nèi)缃襁@種狀況。
今年早些時候，瑞士智能手表制造商 SEQUENT 發(fā)布了一款使用“專利自主微機械運動技術(shù)”的完全自供電智能手表，實際上尋求拋棄依賴充電器的可穿戴設(shè)備的不僅僅是 SEQUENT。
SEQUENT 將其智能手表的使用壽命與市場上其他常見的可穿戴設(shè)備進行了比較。圖片由 SEQUENT 提供
近年來，工程師在為可穿戴設(shè)備供電方面變得富有創(chuàng)造力，為可持續(xù)和自供電設(shè)備創(chuàng)新了新方法。然而，能量收集帶來的一個首要問題是能源投資回報率 (EROI) 低。 EROI 的概念（由系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家 Charles A.S. Hall 在 1980 年代引入）是 EE 所熟悉的概念：能源只有在您獲得的能量大于投入的能量時才有用。
在可穿戴設(shè)備的背景下，EROI 特別提到了收集到的能量與投入到收集器中的能量之間的比率。毫無疑問，研究人員正在追求用于自充電可穿戴設(shè)備的高 EROI 采集器——許多人已經(jīng)轉(zhuǎn)向人類和環(huán)境能源。
能量收集器——以及 EROI 的探討
市場上有大量的能量收集方法：太陽能、射頻、熱能、機械和化學(xué)等。這些方法中的每一種都有利有弊，尤其是在能源投資回報方面。以下是每種收割技術(shù)的簡要概述，以及可能支持未來 EROI 進步的研究。
太陽能收集器
EROI 可穿戴設(shè)備最具吸引力的選擇之一是太陽能收集器。當(dāng)超過某個能量閾值的光照射到選定材料的表面時，先前與該材料結(jié)合的電子就會被釋放。這個過程稱為光電效應(yīng)，是太陽能發(fā)電的基礎(chǔ)。
光伏可用于為可穿戴設(shè)備供電，因為它們不會消耗太多電流并且在相當(dāng)?shù)偷碾妷核较逻\行。太陽能的主要缺點是無法在室內(nèi)、夜間或陰天運行——這個問題通常通過將這項技術(shù)與電池或超級電容器配對來解決。
最近，澳大利亞國立大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超薄二維材料可以通過“扭曲”材料兩層之間的角度將陽光轉(zhuǎn)化為電能。
據(jù)說這種材料比人的頭發(fā)薄數(shù)百倍。圖片由澳大利亞國立大學(xué)和 PV 雜志提供
通過進一步的研究，科學(xué)家們相信，當(dāng)這種材料涂在物體表面時，可以讓設(shè)備為自己供電——從手機屏幕到擋風(fēng)玻璃。
射頻能量收集器
射頻能量收集器使用專門調(diào)諧的天線將無線電和微波頻段內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換為電能。
與我們的手機、計算機和其他電子設(shè)備之間的每種類型的數(shù)據(jù)傳輸都使用某種屬于無線電頻譜的信號。然而，由于來源的接近和范圍，可以從隨機來源收集的能量極低。為了正確地為設(shè)備供電，發(fā)射器需要有針對性、靠近或非常大的無線電。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員認(rèn)為，收集到的射頻能量不足以為可穿戴設(shè)備中的單個組件供電，如下圖所示。
可穿戴設(shè)備中特定組件的典型電流要求。圖片由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和 Research Gate 提供
然而，并非所有研究人員都同意以上看法。例如，以色列初創(chuàng)公司 Wiliot 最近因籌集 2 億美元創(chuàng)建射頻能量收集傳感器而成為頭條新聞。Wiliot 的傳感器包含一個低功耗藍(lán)牙 Arm MCU，據(jù)說可以從周圍的 RF 信號中汲取能量。這款 1 MHz Cortex-M0+ 芯片具有溫度、接近度和濕度傳感器，以及 1 Mbits 的 NVM 和一個自電源管理單元。
熱能收集器
熱電設(shè)備通過半導(dǎo)體換能器將熱量——或者更準(zhǔn)確地說，溫差——直接轉(zhuǎn)化為電能。可穿戴設(shè)計人員經(jīng)常利用熱電效應(yīng)為小型可穿戴設(shè)備供電，因為人體有效地充當(dāng)了持續(xù)的熱源。
但一些科學(xué)家正在尋找來自烤箱和工廠煙囪等機器的多余熱量來獲取熱能。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員最近設(shè)計了一種解決方案，可以使用整流天線從環(huán)境中吸收熱量。這些設(shè)備的工作原理類似于汽車天線，不同之處在于整流天線不是將無線電波轉(zhuǎn)換為聲音，而是捕獲光和熱并將其轉(zhuǎn)化為能量。
CU Boulder 開發(fā)的“整流天線”的圖像。圖片由 CU Boulder Today 提供
雖然常規(guī)天線需要電子穿過絕緣體來收集能量，但研究人員的設(shè)備使用兩個絕緣體來形成所謂的“共振隧穿”，這是一種電子以恰到好處的能量撞擊量子阱以穿過兩個絕緣體的過程。
研究人員希望這種所謂的突破最終可以大規(guī)模使用——甚至可以捕獲從地球輻射到外太空的能量。
機械能量收集器
研究人員探索了多種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的方法。對于可穿戴設(shè)備，壓電是一種被廣泛研究的能量收集方法。這種方法使用壓電元件，當(dāng)對它們施加一定的機械應(yīng)力時，壓電元件可以積累電荷。
這些元素可以嵌入鞋子等衣服或安裝在心臟周邊等器官上，通過不同類型的肌肉運動不斷進行自供電，這些運動的范圍從隨意運動到無所事事的人體功能。
最近，印度科學(xué)家創(chuàng)造了壓電分子晶體，可在機械沖擊下產(chǎn)生能量。
壓電分子晶體實現(xiàn)自我修復(fù)。圖片由《印度斯坦時報》提供
使用這些晶體，研究人員已經(jīng)找到了一種方法，讓損壞的組件在裂紋連接處產(chǎn)生電荷。當(dāng)受損部件相互吸引時，該設(shè)備可以在斷裂點自主修復(fù)自身。
研究人員解釋說：“該材料可能會應(yīng)用于高端微芯片、高精度機械傳感器、執(zhí)行器、微型機器人等。對此類材料的進一步研究可能最終實現(xiàn)智能小工具的自我修復(fù)裂縫或劃痕功能的開發(fā)。”
化學(xué)能量收集器
化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能最常與電池相關(guān)。這是因為電池是由具有特殊化學(xué)特性的材料制成的，這些材料使它們能夠保持和釋放電流。
一些研究人員正在開發(fā)所謂的生物燃料電池，以利用人類的汗水發(fā)電。該技術(shù)釋放電能代替內(nèi)部電池化學(xué)物質(zhì)。通過將可穿戴設(shè)備的電路直接連接到人體皮膚，這種化學(xué)過程可以讓可穿戴設(shè)備不斷地從用戶那里獲取能量并獨立地為自己供電。
由生物燃料電池自供電的設(shè)備示意圖。圖片由Joule提供
在睡眠期間收集數(shù)百 mJ 的能量，這種類似創(chuàng)可貼的設(shè)備被證明比其他皮膚收集器更有效。研究人員還在生物燃料電池下方集成了壓電發(fā)電機，以在用戶將手指壓在上面時獲得額外的機械能。該研究提出，這種能量收集可穿戴設(shè)備可能有助于為電致變色顯示器和傳感器供電，提供“非常高的能量投資回報”。
自供電可穿戴設(shè)備的工程挑戰(zhàn)
在短短幾年內(nèi)，從智能手表和智能眼鏡到健身追蹤器和醫(yī)療監(jiān)視器的可穿戴設(shè)備已成為許多人生活中不可或缺的一部分。
隨著對嵌入式能量收集的持續(xù)研究，這些設(shè)備有可能有一天會完全自供電。雖然許多嵌入式設(shè)計人員歷來專注于低功耗處理器、傳感器和顯示器，但高EROI的能量收集器可能是最后一塊拼圖。
為了最大限度地提高 EROI，工程師很可能會繼續(xù)結(jié)合這些能量收集方法；在單一活動中使用多個來源可能是開發(fā)可持續(xù)和自供電系統(tǒng)的關(guān)鍵。
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