Energy Technology:取之不尽、用之不竭 – 人体动能收集解决可穿戴智能器件供电问题

用户苦无电久矣!得益于科技的高速发展,我们每日都在享受着智能电子设备的便利,但是电池的续航力却常常捉襟见肘。每个人对这一幕都很熟悉:智能电子器件用得正在兴头,电池电量却已见红,不得不慌忙寻找充电器,此时难免意兴阑珊。随着拥有的电子器件数量增多,频繁充电已然是一件烦恼事。如何减少充电,降低对电池的依赖,能量收集技术因而受重视。我们的生存依赖于各种能量,而这些能量又无处不在:光能、热能、机械能等。尽管这些能量不能直接为智能电子设备使用,但是俘获身边的这些能量并将其转换为电能的研究,成为解决智能电子设备供电问题的关键方法之一。人在运动时,大量的物质储存能量被转换为动能,而且作为三大储能物质之一的脂肪拥有远高于电池的能量密度。因此,人体动能俘获技术据有解决穿戴式智能电子设备供电问题的前景。

香港中文大学机械与自动化工程学系廖维新教授课题组按照人体各个部位的运动特征,回顾了用于可穿戴智能电子设备的嵌入式人体生物动能收集器的基本原理、发展历程和应用。根据不同的原理,人体动能收集器可用于收集人体重心变化动能、关节动能、足部冲击动能和肢体摆动动能。根据不同部位的运动特征和输出功率要求,可使用纳米发电机、压电陶瓷、驻极体换能器和电磁换能器等来转换能量。而且,这些能量收集器可以和衣物结合或直接嵌入可穿戴电子设备中,方便直接为各种电子器件供电。用于收集人体重心变化动能的能量收集器通常可以和背包结合起来,利用行走时人体重心在竖直方向的振动作为激励源,背包的重物受迫振动而驱动换能器把动能转换为电能,其输出功率高达7 W以上。而关节动能收集器不仅用于收集人体动能和发电,还可根据步态的运动学特征,专门收集下肢关节的负功,在产生高达5 W的电能同时一定程度上降低使用者的新陈代谢消耗。位于足部的人体动能收集器则需克服脚落地时巨大的冲击力,吸收冲击动能并输出可达1 W的电能。相对于其他类型的人体动能收集器,肢体摆动动能收集器输出功率量级较低,通常在微瓦到毫瓦级别,但是它能够利用惯性质量俘获到足够动能,重量体积小,很容易嵌入到可穿戴健康检测设备中为众多低功率传感器供电。肢体摆动动能收集器典型的应用是直接嵌入智能手表和手环中,解决智能手表和手环因为体积小而电池容量极其受限的痛点。但是,在极小体积下获得足够电能并非易事。由于肢体摆动频率低、体积要求严苛,肢体动能收集器需在极其受限的空间安置动能俘获机构、升频器和换能器,正所谓麻雀虽小五脏俱全。为此,廖维新教授课题组提出基于磁性升频器的肢体摆动能量收集器,从而使动能俘获机构、磁性升频器和换能器同轴布置,结构高度紧密。测试结果显示,其体积约为5 cm3,产生的电能高达1.74 mW,可满足市场上众多智能手表和手环的电能需求。相对同类产品与研究,它的输出电能和标准化功率密度分别4倍和10倍以上。

研究者相信,人体动能收集器的研究将为可穿戴智能电子器件的发展铺平道路,并为解决电子设备续航力受限于电池有限容量提供新的思路。相关论文发表在国际期刊Energy Technology (M. Cai, Z. Yang, J. Cao, and W. H. Liao, “Recent Advances in Human Motion Excited Energy Harvesting Systems for Wearables,” Energy Technology, Early View. DOI: 10.1002/ente.202000533)。