1975 年,世界上第一塊計(jì)算器手表問(wèn)世。
這款采用 18 K 金打造的“原始版”可穿戴電子設(shè)備,當(dāng)時(shí)的售價(jià)高達(dá) 3950 美元(如今的售價(jià)約為 2 萬(wàn)美元)。高昂的價(jià)格,讓大多數(shù)試圖“先買(mǎi)為敬”的消費(fèi)者們望而卻步。
而且,過(guò)小的數(shù)字鍵需要使用搭配的手寫(xiě)筆才能點(diǎn)按準(zhǔn)確,其電池也僅僅支持使用幾個(gè)星期。
圖|世界上第一塊計(jì)算器手表 Pulsar
盡管如此,這款計(jì)算器手表的問(wèn)世,代表了可穿戴電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的開(kāi)始。
自此以后,隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的出現(xiàn),智能手環(huán)、虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式耳機(jī)、智能眼鏡等可穿戴電子設(shè)備開(kāi)始“飛入尋常百姓家”,它們體積輕巧、佩戴方便,不僅可以更加高效地處理外部信息,還能監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)和健康狀況。
然而,如何更好地為可穿戴電子設(shè)備和個(gè)性化生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)供電,仍然是科學(xué)家在當(dāng)前面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。
一種很有前途的解決方案是使用熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)(TEG),它可以將身體的熱量轉(zhuǎn)化為電能。
熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī),也被稱(chēng)為塞貝克發(fā)電器,是運(yùn)用熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng))將熱(溫度差)直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置,一般轉(zhuǎn)換效率約為 5-8%。
當(dāng)一個(gè)熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的兩端存在溫差時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓,而當(dāng)一個(gè)電壓施加于其上時(shí),它也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差。因此,熱電效應(yīng)可以被用來(lái)產(chǎn)生電能、測(cè)量溫度,冷卻或加熱物體。
但是,基于熱電效應(yīng)的舊式熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)使用的是雙金屬接面,整體非常笨重。
同時(shí),為保持工作效率,熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)必須符合曲面設(shè)計(jì)以及將熱障最小化,而且需要在發(fā)生大的形變情況下仍然顯示出耐久性。
近日,來(lái)自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在這一方向取得了新的突破——研發(fā)了一種由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和印刷多功能軟質(zhì)材料制成的高效可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)。
圖|由多功能彈性體復(fù)合材料 3D 打印而成的可穿戴熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)(來(lái)源:該論文)
據(jù)介紹,這種柔性的、可穿戴的熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī),不僅可以將體熱轉(zhuǎn)化為電能,而且還具備柔軟、可拉伸、結(jié)實(shí)、高效的特性。在以往的研究中,這些特性很難完全組合到一起。
相關(guān)研究論文以“Printing Liquid Metal Elastomer Composites for High-Performance Stretchable Thermoelectric Generators”為題,已發(fā)表在科學(xué)期刊 Advanced Energy Materials 上。華盛頓大學(xué)機(jī)械工程碩士研究生 Youngshang Han 是該論文的第一作者,華盛頓大學(xué)機(jī)械工程助理教授 Mohammad Malakooti 為該論文的通訊作者。
“如果把本來(lái)會(huì)被浪費(fèi)到周?chē)沫h(huán)境中的熱能收集起來(lái),那就是 100% 賺到了。要想把這些能量用于自供電電子設(shè)備,還需要一個(gè)更高的功率密度;而且利用增材制造技術(shù)還可以提高生產(chǎn)可拉伸電子產(chǎn)品的效率,并與可穿戴設(shè)備無(wú)縫集成?!?Malakooti 說(shuō)。
據(jù)論文描述,即使經(jīng)過(guò) 30% 應(yīng)變的拉伸循環(huán) 15000 余次后,原型熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)仍然可以保持完整的功能,這一優(yōu)異性能是通過(guò)利用 3D 打印和調(diào)整 TEG 設(shè)備中每個(gè)層的材料屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)顯示,該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的功率密度比以往的可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)增加了 6.5 倍。
圖|熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)與鋁塊的發(fā)電試驗(yàn)。(來(lái)源:該論文)
為了制造出這一熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī),研究團(tuán)隊(duì)在每一層都打印了具有工程功能和結(jié)構(gòu)特性的復(fù)合材料。其中,填充材料內(nèi)的金屬金屬合金可以提供高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,這些金屬合金解決了以往設(shè)備的不能拉伸、傳熱效率低和制造過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。
此外,為了減輕熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的重量,以及將熱量導(dǎo)向核心層的半導(dǎo)體,研究團(tuán)隊(duì)也向其中嵌入了空心微球。
圖|可拉伸熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與制備示意圖。(來(lái)源:該論文)
研究團(tuán)隊(duì)表示,他們可以將該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)應(yīng)用到衣服和其他物體上,比如打印在可拉伸的紡織品和曲面上,并對(duì)其在自供電可穿戴電子設(shè)備、熱觸覺(jué)傳感器、軟機(jī)器人和人機(jī)交互方面的應(yīng)用潛力感到興奮。
未來(lái),他們將通過(guò)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和選擇更合適的材料等方法繼續(xù)提高該熱傳導(dǎo)發(fā)電機(jī)的性能。
Malakooti 表示,這項(xiàng)研究的一個(gè)獨(dú)特之處在于,從材料合成到器件制造和表征,覆蓋了整個(gè)生產(chǎn)流程。這讓他們可以自由地設(shè)計(jì)新材料,發(fā)揮創(chuàng)意,設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的每一步。
參考鏈接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201413
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator