无需电池！新型纱线可利用海浪和温度波动发电

导读

最近，由多国科学家组成的国际科研团队开发出最新的高科技纱线“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。例如，它可以从海浪运动和温度波动中采集能量，并且转化成电能。这些纱线缝入衣服后，还可以成为自供电的呼吸监测器。

关键字

柔性、可穿戴技术、智能织物、自供电、物联网

背景

智能织物和自供电技术一直以来就是笔者重点关注的前沿创新领域。

智能织物的出现，代表着电子技术、制造技术、传感器技术与传统的纺织技术结合得更加紧密。不同于传统的可穿戴设备，例如智能手表和手环等，智能织物更轻量、更具柔性、更适合人体且用途更广。

同时，笔者之前也论述过，传统的物联网和电子设备，包括可穿戴设备、智能硬件、智能手机、智能手表等等，大多数是依靠电池供电。然而，电池供电的方式会面临待机时间短、需要反复充电等问题的限制，而自供电技术则无需电池，可以从外部环境中采集热能、机械能、辐射能、化学能等形式的能量，为电子设备提供电力。

然而，这两项技术的融合又会产生出怎样的创新技术呢？

《新型涂层将织物变电路：未来将让衣服实现自供电》一文介绍过美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的科研人员开发出一种透气、柔韧、不含金属的电极。当你穿上具有这种电极的衣服，通过人体运动就能产生电能，让衣服闪闪发光。

（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校）

《新型纺织品利用太阳能和风能为可穿戴电子产品供电》一文中介绍过美国乔治亚理工学院的研究人员开发出一种新型纺织品，它结合了两种电能产生方式：将太阳能或者动能转化为电能。除了利用太阳能，其中还设计到一个重要原理：摩擦起电效应，即通过旋转、滑动、振动等物理运动所引起的摩擦起电效应产生电能。

（图片来源于：乔治亚理工学院）

创新

今天，我要再介绍一项智能织物和自供电技术交叉融合的创新成果。

美国得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）和韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队开发出最新的高科技纱线“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。

这项研究的参与者还包括中国、韩国、美国弗吉尼亚理工大学、美国赖特-帕特森空军基地的研究人员。此外，UTD 的Erik Jonsson工程与计算机科学学院和Lintec美国纳米科技中心的研究人员也参与了这项研究。研究人员为该技术申请了专利。

一篇发表于8月25日的《科学》杂志的论文，具体介绍了这种发电纱线及其潜在应用，例如从海浪运动和温度波动中采集能量，并且转化成电能。这些纱线缝入衣服后，还可以成为自供电的呼吸监测器。

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

“用最简单的语言来描述Twistron就是，你拿着一条纱线，拉伸它，就会产生电能。”

（图片来源：UTD）

技术

• 组成

这种纱线由碳纳米管构成。这种空心圆柱体状的碳纳米管的直径不到人头发丝直径的1/10000。研究人员首先将许多纳米管扭曲纺成高强度，轻量的纱线。为了使纱线具有高弹性，他们不断提高纱线上的捻度，巨大的捻度使纱线发生卷曲，像一个过度扭曲的橡皮筋。

（图片来源：UTD）

• 发电

为了发电，纱线必须浸泡或者涂上离子导电材料，也就是电解质。简单来说，这些材料可由普通的盐水制成。

文章的共同首作者之一、UTD纳米技术研究所的研究科学家李娜（音译）博士表示：

“这些纱线本质上是一种超级电容。对于普通的电容，你通常需要使用能量，例如外加电池电源来引入电荷。但是在我们的案例中，当我们将这种碳纳米管纱线浸入电解液时，纱线可以通过电解液本身来充电。不需要外加电源或者外加偏压来实现。”

Haines介绍说，当一根用于采集能量的纱线被拧紧或拉伸时，碳纳米管纱线的体积减少，使得纱线上的电荷彼此更加靠近从而增加其能量。这使得纱线中存储的电荷产生的电压增高，从而能够获取电能。

UTD纳米技术研究所主任、论文通讯作者之一的 Ray Baughman博士称，卷曲的twistron纱线以每秒30次的频率拉伸时，可以产生250瓦每千克（纱线重量）的峰值电功率。他说：

“即便许多其他类型的能量采集技术已经进行了几十年的研究，在每秒几个周期到每秒600个周期的拉伸频率范围内，仍然没有其他任何文献报道的能量采集技术可以产生如此高的输出功率或者单位周期的输出能量。”

价值

• 点亮LED

研究人员们发现，在实验室中，一根重量小于家蝇的碳纳米管纱线，在每次被拉伸时，就可以点亮一个小型的LED。

• 利用环境热量

为了演示twistron可以从环境中吸收废热，李博士将一根 twistron 纱线与聚合物人工肌肉相连，人工肌肉在受热和冷却时收缩和伸长。Twistron发电纱线则将聚合物人工肌肉产生的机械能转化为电能。李博士说：

“人们对于利用废弃能源为物联网，比如分布式的传感器阵列，提供电力有很大的兴趣。对于这些应用来说，经常性的更换电池是不切实际的，而twistron技术可以解决这个问题。”

• 自供电的呼吸传感器

研究人员还将twistron纱线缝进了上衣。正常呼吸过程中，纱线被拉伸并产生电信号，表明它具有作为自供电的呼吸传感器的潜力。Baughman 表示：

“电子纺织品具有重大的商业前景，但怎么来为它供电呢？从人体的运动中收获电能是取代电池的一个策略。与文献中报道的其他可织布的发电纤维相比，单位重量的twistron纱线在拉伸时，能产生高于它们一百倍以上的电功率。”

• 海浪发电

自然科学与数学学院的Robert A. Welch化学学科特聘讲席教授 Baughman说：

“我们的发电纱线可以用盐水作为电解液。但是我们想展示，它们也可以在化学成分更复杂的海水中工作。”

在一个概念验证的演示中，文章的共同首作者之一、UTD纳米技术研究所的博士后研究员 Shi Hyeong
Kim 博士在韩国东海岸寒冷的海水中，测试了twistron海水发电的可行性。他将一根10厘米长，仅重1毫克（大约是一只蚊子的重量）的纱线，连在一个气球和一块静置在海床上的沉子之间。

每次海浪到达时，气球便会上升，将纱线拉伸至最高25％的伸长率，从而产生可测量到的电能。

尽管研究人员在目前的研究中只使用了非常少量的纱线，但是他们已经证明，这种发电纱线的输出可以随纱线体积的增大以及并行工作的纱线数量的增高而等比例放大。Baughman 表示：

“如果我们可以降低这种能量采集纱线的生产成本，它们将最终可以从海浪中获取巨大的能量。但是，目前这些发电纱线最适合的应用方向，应该是为传感器供电以及传感器通讯。基于我们目前实现的平均输出功率，只需要31毫克的碳纳米管纱线便可以为物联网提供在一个长达100米半径范围内，每10秒钟传输2千字节数据包所需的电能。”

参考资料

【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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