不管是個(gè)人生活還是工業(yè)應(yīng)用，世界已經(jīng)嚴(yán)重依賴電子產(chǎn)品。然而，有限的電池壽命仍然是一個(gè)影響設(shè)備使用體驗(yàn)的顯著問題，特別是當(dāng)人們?cè)谄h(yuǎn)地區(qū)使用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，充電或更換電源往往很困難。低電量警告也會(huì)讓那些重度依賴電子產(chǎn)品的用戶感到煩惱。

幸運(yùn)的是，研究人員在能量收集方面取得了令人矚目的進(jìn)展，這可能導(dǎo)致自供電電子產(chǎn)品的出現(xiàn)。我們的日常設(shè)備能否不斷從環(huán)境或我們自身獲取電力，而不是依靠需要定期充電的輔助電源？到目前為止，科研人員取得了哪些成就？

PART 01

開發(fā)能量收集織物

如果能量收集設(shè)備對(duì)日常生活的影響很小或沒有影響，人們很可能會(huì)使用它們。一個(gè)研究小組意識(shí)到了這一點(diǎn)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種智能織物，可以跟蹤人們的運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)他們的健康狀況，并從環(huán)境中獲取能量。他們的創(chuàng)新包括壓電復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)聚合物。它無需外部電源，就能將體熱和太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

該團(tuán)隊(duì)還特別設(shè)計(jì)了這種織物，使傳感器易于放入材料中，無論人們是想跟蹤化學(xué)成分、溫度還是其他方面。智能口罩是研究中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)潛在應(yīng)用。COVID-19向世界展示了傳染性、廣泛性疾病的破壞性。然而，可以保護(hù)佩戴者并為醫(yī)務(wù)人員提供有關(guān)他們的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的高科技口罩可能會(huì)改變游戲規(guī)則，在緊急情況下協(xié)助護(hù)理。

由于這種面料比同類產(chǎn)品更穩(wěn)定、更有彈性、價(jià)格更實(shí)惠，這些特點(diǎn)提高了它的商業(yè)吸引力。然而，該團(tuán)隊(duì)必須進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試來評(píng)估這種材料的可行性，包括與工程師合作插入傳感器并提高整體性能。此外，進(jìn)一步的改進(jìn)可能涉及開發(fā)一款智能手機(jī)應(yīng)用程序，可以將佩戴者的數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)護(hù)人員或其他選定的專業(yè)人員，從而實(shí)現(xiàn)日常使用過程中的實(shí)時(shí)、非侵入式監(jiān)測(cè)。

無論消費(fèi)者最終是否可以購買和使用由這種先鋒面料制成的服裝，相關(guān)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)都將為進(jìn)一步改進(jìn)通過能量收集來工作的自供電電子設(shè)備提供參考。

PART 02

提高自供電電子產(chǎn)品的耐用性

致力于創(chuàng)造自供電電子產(chǎn)品的研發(fā)人員必須考慮各種因素。例如，人們會(huì)在室內(nèi)還是室外使用這些設(shè)備？他們會(huì)一直使用這些設(shè)備還是在某個(gè)特定場(chǎng)景中臨時(shí)使用？解答這些問題可以讓人們創(chuàng)造出在預(yù)期環(huán)境中運(yùn)行良好的產(chǎn)品。

在一個(gè)案例中，一個(gè)國(guó)際研究小組優(yōu)先考慮了堅(jiān)固、輕便的能量收集設(shè)備的耐用性。它利用壓電材料捕捉環(huán)境中的振動(dòng)能量，這些材料在物理應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生能量。該團(tuán)隊(duì)還選擇了碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP)，這種材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從航空航天到醫(yī)學(xué)等多個(gè)行業(yè)。研究人員意識(shí)到，為放置在偏遠(yuǎn)地區(qū)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，或者在需要維護(hù)多個(gè)設(shè)備時(shí)讓它們?nèi)空＿\(yùn)行是多么困難。

該發(fā)明的耐用性和自供電特性有助于其未來的應(yīng)用。在制造它時(shí)，該團(tuán)隊(duì)選擇了CFRP和鈮酸鉀鈉納米顆粒，并將它們與環(huán)氧樹脂混合。CFRP也成為一種雙重用途材料，可用作電極和增強(qiáng)基板。此外，壓電晶體響應(yīng)動(dòng)能發(fā)電，創(chuàng)造了許多潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。

在這種情況下，研究人員使用壓電復(fù)合材料和壓電振動(dòng)能量收集器制作了他們的設(shè)備。測(cè)試表明，在研究人員對(duì)其施加超過100,000次壓力后，該設(shè)備仍然表現(xiàn)出高性能結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)表明，這種能量收集器可以收集電能以供日后使用并點(diǎn)亮LED燈。這些積極成果讓人們對(duì)自供電電子產(chǎn)品的潛在應(yīng)用充滿希望。

PART 03

實(shí)現(xiàn)能源效率的突破

聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為決策者提供了必要的可視性，可防止產(chǎn)品在供應(yīng)鏈中移動(dòng)時(shí)發(fā)生浪費(fèi)、破損和其他不良事件。據(jù)估計(jì)，每年有多達(dá)2,500萬個(gè)干貨集裝箱在世界各地運(yùn)輸產(chǎn)品。然而，跟蹤這些行程的傳感器中的電池只能使用幾年，更換電池常常并不容易。

科學(xué)家們想知道，他們能否通過創(chuàng)建一種收集射頻信號(hào)的能量收集選項(xiàng)來找到一種更節(jié)能、更方便的解決方案。Wi-Fi和藍(lán)牙等技術(shù)使它們?cè)诂F(xiàn)代世界中占據(jù)著重要地位，那么為什么不使用它們來為設(shè)備供電呢？來自三個(gè)國(guó)家的參與者合作開展了一個(gè)前瞻性項(xiàng)目，該項(xiàng)目將環(huán)境射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電能。這種方法可以為傳感器和電子設(shè)備供電，讓人們無需電池就可以使用它們。

更具體地說，研究人員依靠納米級(jí)自旋整流器(SR)技術(shù)作為必不可少的組件。該小組設(shè)計(jì)并優(yōu)化了兩種SR配置，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)排列的10-SR陣列具有最佳的能源效率和整體性能。將其集成到能量收集模塊后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)該裝置成功為溫度傳感器供電。

這一結(jié)果表明，收集射頻信號(hào)可能是設(shè)計(jì)節(jié)能且實(shí)用的電子設(shè)備和傳感器的關(guān)鍵步驟。此類選擇也可能符合決策者的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，尤其是當(dāng)利益相關(guān)者要求領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)其運(yùn)營(yíng)做出可衡量的環(huán)保改變時(shí)。

PART 04

向電能的轉(zhuǎn)化

影響自供電電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的一個(gè)潛在障礙是充電時(shí)間。很容易想象，它們適合那些大部分工作時(shí)間都站著、四處走動(dòng)而不是長(zhǎng)時(shí)間靜坐的人。然而，研究人員找到了一種方法，可以將納米發(fā)電機(jī)的功率密度提高到傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的140倍。

該團(tuán)隊(duì)利用激光完善了他們的能量收集技術(shù)，制造出了一個(gè)帶有34個(gè)收集元件的原型設(shè)備。不過這一規(guī)?？梢赃M(jìn)一步擴(kuò)大以提高能量收集能力。參與的研究人員認(rèn)為，他們選擇的自供電電子產(chǎn)品最終可能像今天的太陽能電池板一樣強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用。

該裝置是一種摩擦電納米發(fā)電機(jī)，可從日常運(yùn)動(dòng)中獲取能量。所選材料在接觸和分離時(shí)會(huì)產(chǎn)生電能，其工作原理類似于將氣球在頭發(fā)上摩擦，將其拉開時(shí)頭發(fā)會(huì)因靜電而豎起。

這些研究人員計(jì)劃通過創(chuàng)辦一家以摩擦電技術(shù)為中心的企業(yè)來獲利，希望制造出可持續(xù)運(yùn)行的自供電醫(yī)療傳感器，并為工業(yè)可擴(kuò)展性開辟新的機(jī)會(huì)。

將自供電電子產(chǎn)品推向主流應(yīng)用需要全球團(tuán)隊(duì)的投入和辛勤工作。然而，這些令人興奮的例子表明，我們?cè)趯ふ腋谩⒏志?、可與現(xiàn)有能源配合使用的電源方面走在了正確的道路上。