無需電池！新型紗線可利用海浪和溫度波動發電

導讀

最近，由多國科學家組成的國際科研團隊開發出最新的高科技紗線「Twistron」，它可以在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。例如，它可以從海浪運動和溫度波動中採集能量，並且轉化成電能。這些紗線縫入衣服後，還可以成為自供電的呼吸監測器。

關鍵字

柔性、可穿戴技術、智能織物、自供電、物聯網

背景

智能織物和自供電技術一直以來就是筆者重點關注的前沿創新領域。

智能織物的出現，代表著電子技術、製造技術、感測器技術與傳統的紡織技術結合得更加緊密。不同於傳統的可穿戴設備，例如智能手錶和手環等，智能織物更輕量、更具柔性、更適合人體且用途更廣。

同時，筆者之前也論述過，傳統的物聯網和電子設備，包括可穿戴設備、智能硬體、智能手機、智能手錶等等，大多數是依靠電池供電。然而，電池供電的方式會面臨待機時間短、需要反覆充電等問題的限制，而自供電技術則無需電池，可以從外部環境中採集熱能、機械能、輻射能、化學能等形式的能量，為電子設備提供電力。

然而，這兩項技術的融合又會產生出怎樣的創新技術呢？

《新型塗層將織物變電路：未來將讓衣服實現自供電》一文介紹過美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校的科研人員開發出一種透氣、柔韌、不含金屬的電極。當你穿上具有這種電極的衣服，通過人體運動就能產生電能，讓衣服閃閃發光。

（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）

《新型紡織品利用太陽能和風能為可穿戴電子產品供電》一文中介紹過美國喬治亞理工學院的研究人員開發出一種新型紡織品，它結合了兩種電能產生方式：將太陽能或者動能轉化為電能。除了利用太陽能，其中還設計到一個重要原理：摩擦起電效應，即通過旋轉、滑動、振動等物理運動所引起的摩擦起電效應產生電能。

（圖片來源於：喬治亞理工學院）

創新

今天，我要再介紹一項智能織物和自供電技術交叉融合的創新成果。

美國得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）和韓國漢陽大學科學家領導的國際科研團隊開發出最新的高科技紗線「Twistron」，它可以在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。

這項研究的參與者還包括中國、韓國、美國弗吉尼亞理工大學、美國賴特-帕特森空軍基地的研究人員。此外，UTD 的Erik Jonsson工程與計算機科學學院和Lintec美國納米科技中心的研究人員也參與了這項研究。研究人員為該技術申請了專利。

一篇發表於8月25日的《科學》雜誌的論文，具體介紹了這種發電紗線及其潛在應用，例如從海浪運動和溫度波動中採集能量，並且轉化成電能。這些紗線縫入衣服後，還可以成為自供電的呼吸監測器。

文章的共同首作者之一、UTD 的 Alan G. MacDiarmid 納米技術研究所的研究副教授 Carter Haines 博士表示：

「用最簡單的語言來描述Twistron就是，你拿著一條紗線，拉伸它，就會產生電能。」

（圖片來源：UTD）

技術

組成

這種紗線由碳納米管構成。這種空心圓柱體狀的碳納米管的直徑不到人頭髮絲直徑的1/10000。研究人員首先將許多納米管扭曲紡成高強度，輕量的紗線。為了使紗線具有高彈性，他們不斷提高紗線上的捻度，巨大的捻度使紗線發生捲曲，像一個過度扭曲的橡皮筋。

（圖片來源：UTD）

發電

為了發電，紗線必須浸泡或者塗上離子導電材料，也就是電解質。簡單來說，這些材料可由普通的鹽水製成。

文章的共同首作者之一、UTD納米技術研究所的研究科學家李娜（音譯）博士表示：

「這些紗線本質上是一種超級電容。對於普通的電容，你通常需要使用能量，例如外加電池電源來引入電荷。但是在我們的案例中，當我們將這種碳納米管紗線浸入電解液時，紗線可以通過電解液本身來充電。不需要外加電源或者外加偏壓來實現。」

Haines介紹說，當一根用於採集能量的紗線被擰緊或拉伸時，碳納米管紗線的體積減少，使得紗線上的電荷彼此更加靠近從而增加其能量。這使得紗線中存儲的電荷產生的電壓增高，從而能夠獲取電能。

UTD納米技術研究所主任、論文通訊作者之一的 Ray Baughman博士稱，捲曲的twistron紗線以每秒30次的頻率拉伸時，可以產生250瓦每千克（紗線重量）的峰值電功率。他說：

「即便許多其他類型的能量採集技術已經進行了幾十年的研究，在每秒幾個周期到每秒600個周期的拉伸頻率範圍內，仍然沒有其他任何文獻報道的能量採集技術可以產生如此高的輸出功率或者單位周期的輸出能量。」

價值

點亮LED

研究人員們發現，在實驗室中，一根重量小於家蠅的碳納米管紗線，在每次被拉伸時，就可以點亮一個小型的LED。

利用環境熱量

為了演示twistron可以從環境中吸收廢熱，李博士將一根 twistron 紗線與聚合物人工肌肉相連，人工肌肉在受熱和冷卻時收縮和伸長。Twistron發電紗線則將聚合物人工肌肉產生的機械能轉化為電能。李博士說：

「人們對於利用廢棄能源為物聯網，比如分散式的感測器陣列，提供電力有很大的興趣。對於這些應用來說，經常性的更換電池是不切實際的，而twistron技術可以解決這個問題。」

自供電的呼吸感測器

研究人員還將twistron紗線縫進了上衣。正常呼吸過程中，紗線被拉伸併產生電信號，表明它具有作為自供電的呼吸感測器的潛力。Baughman 表示：

「電子紡織品具有重大的商業前景，但怎麼來為它供電呢？從人體的運動中收穫電能是取代電池的一個策略。與文獻中報道的其他可織布的發電纖維相比，單位重量的twistron紗線在拉伸時，能產生高於它們一百倍以上的電功率。」

海浪發電

自然科學與數學學院的Robert A. Welch化學學科特聘講席教授 Baughman說：

「我們的發電紗線可以用鹽水作為電解液。但是我們想展示，它們也可以在化學成分更複雜的海水中工作。」

在一個概念驗證的演示中，文章的共同首作者之一、UTD納米技術研究所的博士後研究員 Shi Hyeong Kim 博士在韓國東海岸寒冷的海水中，測試了twistron海水發電的可行性。他將一根10厘米長，僅重1毫克（大約是一隻蚊子的重量）的紗線，連在一個氣球和一塊靜置在海床上的沉子之間。

每次海浪到達時，氣球便會上升，將紗線拉伸至最高25％的伸長率，從而產生可測量到的電能。

儘管研究人員在目前的研究中只使用了非常少量的紗線，但是他們已經證明，這種發電紗線的輸出可以隨紗線體積的增大以及並行工作的紗線數量的增高而等比例放大。Baughman 表示：

「如果我們可以降低這種能量採集紗線的生產成本，它們將最終可以從海浪中獲取巨大的能量。但是，目前這些發電紗線最適合的應用方向，應該是為感測器供電以及感測器通訊。基於我們目前實現的平均輸出功率，只需要31毫克的碳納米管紗線便可以為物聯網提供在一個長達100米半徑範圍內，每10秒鐘傳輸2千位元組數據包所需的電能。」

參考資料

【1】http://www.utdallas.edu/news/2017/8/25-32663_No-Batteries-Required-Energy-Harvesting-Yarns-Gene_story-wide.html?WT.mc_id=NewsHomePageCenterColumn

【2】http://science.sciencemag.org/content/357/6353/773.full

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