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| 本文作者： 付靜 | 2021-03-17 18:03 |
2021 年 3 月 12 日，IDC 發(fā)布《中國可穿戴設(shè)備市場季度跟蹤報(bào)告，2020年第四季度》。
報(bào)告顯示，2020 年中國可穿戴設(shè)備市場出貨量近 1.1 億臺，同比增長 7.5%。市場的發(fā)展機(jī)遇主要在于三方面：
其一，藍(lán)牙耳機(jī)和成人手表顯著拉動了整體市場的增長，將是未來發(fā)展的重要驅(qū)動。
其二，整體廠商格局依然存在變化空間。
其三，頭戴音頻等新形態(tài)逐漸演進(jìn)，可穿戴設(shè)備正在逐漸從腕戴設(shè)備向頭戴（包含耳戴）設(shè)備擴(kuò)展。
市場的發(fā)展情況由此可窺見一斑，其實(shí)在學(xué)術(shù)界，可穿戴設(shè)備也是一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。
比如在 2019 年 5 月，韓國首爾國立大學(xué)醫(yī)院曾研制出一款對心室房顫檢測準(zhǔn)確率達(dá) 99.3% 的可穿戴式手環(huán)。
2020 年 10 月，一名德國科隆設(shè)計(jì)學(xué)院人機(jī)交互設(shè)計(jì)和研究專業(yè)碩士研究生基于牙套打造了一套簡單的可穿戴設(shè)備，佩戴上這款設(shè)備后，舌頭就能代替鼠標(biāo)操作電腦游戲。
就在上周，美國科學(xué)家們公布了一項(xiàng)該領(lǐng)域的最新進(jìn)展——直接通過人體收集、儲存能量，為電子設(shè)備供電。
確切地說，科學(xué)家們設(shè)計(jì)的不僅是一款設(shè)備，而是一種「可穿戴系統(tǒng)」。
2021 年 3 月 9 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》，題為 A self-sustainable wearable multi-modular E-textile bioenergy microgrid system（一種自我可持續(xù)的可穿戴多模塊電子紡織生物能源微電網(wǎng)系統(tǒng)）。
論文顯示，作者均來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系可穿戴傳感器中心。
研究團(tuán)隊(duì)的著眼點(diǎn)在于可穿戴電子設(shè)備的充電問題。
論文介紹：
通常，可穿戴設(shè)備的充電方式較為頻繁且復(fù)雜，無法在充電時(shí)使用，其電力需求也在不斷增長。
針對此，科學(xué)家們曾經(jīng)提供過解決方案，即：為可穿戴系統(tǒng)集成能源采集器，比如太陽能電池、摩擦發(fā)電機(jī)（TEG）和酶/微生物燃料電池（BFC），旨在保證系統(tǒng)能夠自我可持續(xù)運(yùn)行。
此外還有一個(gè)策略是，從人體本身或環(huán)境中收集能量，然后將這些能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并存儲在電池或超級電容（SC）等存儲模塊中。
不過上述策略并非完美無缺，其問題在于，系統(tǒng)操作依賴的不是單一輸入源（意味著同樣會限制能源可用性），就是多個(gè)并不協(xié)同的操作同步進(jìn)行（將引入額外的限制）。此外，一些策略主要依賴外部環(huán)境的能量輸入（如熱電、光伏），這些往往是無法控制的。
為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了「可穿戴電子紡織微電網(wǎng)系統(tǒng)」的概念。
簡單來講，這是一種以紡織為基礎(chǔ)的多模塊系統(tǒng)，由互補(bǔ)、協(xié)同的能量采集器和相稱的能量存儲模塊供電。主要原理在于通過運(yùn)動擺臂和流汗產(chǎn)生能量，快速持續(xù)地為電子設(shè)備供電。
如下圖所示，這一系統(tǒng)結(jié)合了：
由走路或跑步時(shí)由軀干擺動運(yùn)動提供能量的 TEG；
由汗液驅(qū)動的 BFC；
SC 模塊，用于調(diào)節(jié)不同功率需求下可穿戴應(yīng)用的供電，主要是通過儲存兩種設(shè)備的能量，然后向小型電子設(shè)備放電。
TEG 位于小臂和兩側(cè)腰部附近，BFC 位于胸部。
據(jù)了解，所有部件都是靈活的，并可絲網(wǎng)印刷（一種印刷工藝，指用絲網(wǎng)作為版基，通過感光制版方法制成帶有圖文的絲網(wǎng)印版）到衣服上。所有部件都通過柔性的銀材料連接（銀通過防水涂層絕緣）——基于此，每個(gè)部件的性能不受反復(fù)彎曲、折疊、揉皺、水洗的影響。
另外論文顯示，TEG 和 BFC 是兩個(gè)基于人類活動的、具有獨(dú)特且互補(bǔ)能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的采集器。正如論文共同一作、加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院（Jacobs School of Engineering）納米工程博士生 Lu Yin 所言：
當(dāng)把這兩者加在一起時(shí)，它們就彌補(bǔ)了彼此的缺點(diǎn)。它們是互補(bǔ)和協(xié)同的，可實(shí)現(xiàn)快速啟動和持續(xù)供電。想象一下，BFC 就像一個(gè)緩慢流動的水龍頭，TEG 就像一根向外噴水的軟管。
為驗(yàn)證系統(tǒng)的效果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè) 30 分鐘的測試。
穿戴上這一設(shè)備，被試經(jīng)歷了 10 分鐘（7 分鐘左右開始出汗）的單車機(jī)運(yùn)動及跑步，手臂擺動頻率保持在 1.5 Hz 左右，隨后是 20 分鐘的休息。
如上圖 c 所示，研究人員將系統(tǒng)與僅靠 TEG、BFC 的情況進(jìn)行了對比：
僅靠 TEG 運(yùn)行的系統(tǒng)（藍(lán)色線條）：在手臂開始擺動后立即能量收集，并在 10 分鐘的鍛煉過程中持續(xù)為 SC 模塊充電。運(yùn)動一停止，TEG 就停止供電，SC 模塊緩慢自放電。
僅靠 BFC 運(yùn)行的系統(tǒng)（綠色線條）：系統(tǒng)啟動緩慢，有 6 分鐘的延遲。然而 BFC 能在出汗開始時(shí)快速為 SC 模塊供電，并在運(yùn)動停止后 17 分鐘實(shí)現(xiàn)對 SC 的完全充電。
「可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)」（紅色線條）：能夠補(bǔ)償啟動緩慢和瞬態(tài)收獲，在 7 分鐘內(nèi)快速充滿 SC 模塊，并在 30 分鐘內(nèi)保持最大電壓。
可見，該系統(tǒng)的啟動速度是單獨(dú)使用 BFC 的 2 倍，持續(xù)時(shí)間是單獨(dú)使用 TEG 的 3 倍。
結(jié)果表明，系統(tǒng)能在 30 分鐘內(nèi)為液晶手表或小型電致變色顯示器（指用電致變色材料做成的器件，可根據(jù)施加的電壓改變顏色，主要被應(yīng)用于儀表顯示、戶外廣告、靜態(tài)顯示等領(lǐng)域）供電。
據(jù)了解，這一設(shè)計(jì)的靈感來源于城市微電網(wǎng)。Lu Yin 表示：
我們應(yīng)用微電網(wǎng)的概念來創(chuàng)建可持續(xù)、可靠、獨(dú)立供電的可穿戴系統(tǒng)，集成了從人體不同部位收集能量的設(shè)備，這就像城市微電網(wǎng)集成了多種當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗ㄈ顼L(fēng)能、太陽能）。
所謂城市微電網(wǎng)，可以通過下面這個(gè)例子來理解。
我國有個(gè)珠海東澳島微電網(wǎng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目在最大程度上利用島上豐富的陽光和風(fēng)力資源、在最小程度上利用柴油發(fā)電，從而提供綠色電力。
這一做法的效果顯著——東澳島可再生能源發(fā)電比例從 30% 上升至 70%，東澳島長期的缺電情況也得到了改善。
正如 Lu Yin 所說，這項(xiàng)研究的主要創(chuàng)新不是可穿戴設(shè)備本身，而在于所有設(shè)備的系統(tǒng)性、高效集成性。
或許，這一設(shè)計(jì)將為可穿戴設(shè)備的發(fā)展帶來新的啟發(fā)。
引用來源：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7#Sec1
https://techxplore.com/news/2021-03-wearable-microgrid-human-body-sustainably.html
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