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(jì)。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(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)技術(shù)”的完全自供電智能手表，實(shí)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(chǎng)上其他常見的可穿戴設(shè)備進(jìn)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(gè)首要問題是能源投資回報(bào)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(shí)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(chǎng)上有大量的能量收集方法：太陽能、射頻、熱能、機(jī)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(bào)方面。以下是每種收割技術(shù)的簡(jiǎn)要概述，以及可能支持未來 EROI 進(jìn)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(gè)能量閾值的光照射到選定材料的表面時(shí)，先前與該材料結(jié)合的電子就會(huì)被釋放。這個(gè)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?yàn)樗鼈儾粫?huì)消耗太多電流并且在相當(dāng)?shù)偷碾妷核较逻\(yùn)行。太陽能的主要缺點(diǎn)是無法在室內(nèi)、夜間或陰天運(yùn)行——這個(gè)問題通常通過將這項(xiàng)技術(shù)與電池或超級(jí)電容器配對(duì)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(jìn)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(shí)，可以讓設(shè)備為自己供電——從手機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為電能。

 

與我們的手機(jī)、計(jì)算機(jī)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(hào)。然而，由于來源的接近和范圍，可以從隨機(jī)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(duì)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(gè)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?jiǎng)?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(gè)低功耗藍(lán)牙 Arm MCU，據(jù)說可以從周圍的 RF 信號(hào)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(gè)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(jì)人員經(jīng)常利用熱電效應(yīng)為小型可穿戴設(shè)備供電，因?yàn)槿梭w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(jī)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(jì)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(gè)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(gè)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(jī)械能量收集器

 

研究人員探索了多種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方法。對(duì)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(duì)它們施加一定的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，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(yùn)動(dòng)不斷進(jìn)行自供電，這些運(yùn)動(dòng)的范圍從隨意運(yùn)動(dòng)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(jī)械沖擊下產(chǎn)生能量。

 

 

壓電分子晶體實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。圖片由《印度斯坦時(shí)報(bào)》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(shí)，該設(shè)備可以在斷裂點(diǎn)自主修復(fù)自身。

 

研究人員解釋說：“該材料可能會(huì)應(yīng)用于高端微芯片、高精度機(jī)械傳感器、執(zhí)行器、微型機(jī)器人等。對(duì)此類材料的進(jìn)一步研究可能最終實(shí)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?yàn)殡姵厥怯删哂刑厥饣瘜W(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(dú)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(jī)，以在用戶將手指壓在上面時(shí)獲得額外的機(jī)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(bào)”。

 

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(duì)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(huì)完全自供電。雖然許多嵌入式設(shè)計(jì)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(huì)繼續(xù)結(jié)合這些能量收集方法；在單一活動(dòng)中使用多個(gè)來源可能是開發(fā)可持續(xù)和自供電系統(tǒng)的關(guān)鍵。