壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！

知識 03-23

近日，瑞典科學家開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。

背景

壓一下某種材料，就會產生電力？聽上去有點不可思議，但這正是所謂的「壓電效應」向我們所展示的。

（圖片來源：維基百科）

壓電效應（piezoelectric effect），簡單說，就是指對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。

一般來說，壓電材料包括：骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等等。此類材料的應用範圍非常廣，例如：行動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。壓電效應的主要用途之一就是發電，例如我們走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪音產生的能量都可以被採集起來轉化為電能。

有關壓電效應的創新案例之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個經典案例：

1) 美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型換能器，可以採集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

2）美國范德堡大學開發的新型超薄能量採集系統，即使受到極低頻率的人體運動所產生的彎曲或按壓，也可以產生少量電力。

（圖片來源於：John Russell / 范德堡大學）

3）愛爾蘭利默里克大學（UL）伯納爾學院的科學家觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在於禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。

（圖片來源：利默里克大學）

創新

近日，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位於布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學院及研究機構 Swerea IVF 合作，開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。研究結果發表於「自然合作期刊」（Nature Partner journal）《柔性電子（Flexible Electronics）》。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學）

技術

查爾姆斯理工大學研究員 Anja Lund 和 Christian Müller 開發出一種在拉伸或者受到壓力時能夠發電的織物。目前，這種織物產生的電力足以點亮一盞LED燈、發送無線信號或者驅動小型電氣單元，例如口袋計算機或者數字手錶。

這項技術也是基於壓電效應（piezoelectric effect），它會通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產生電力。在這項研究中，研究人員通過將壓電紗線與導電紗線（用於傳輸生成的電流）編織到一起做成一種織物。

Lund 表示：「這種織物是柔軟的，並且在潮濕時效率更高。為了論證研究成果，我們採用了單肩包肩帶上的一片織物。包越重，含這種織物越多，那麼我們能獲取到的能量也越多。當包內裝有3公斤書籍時，我們可以產生4毫瓦的連續輸出，這足以間歇地為一盞LED燈供電。通過這種織物做成一個完整的包，我們能夠獲取到足夠的能量來傳送無線電信號。」

（圖片來源：參考資料【2】）

壓電紗線由24根纖維組成，每一根纖維都像一縷頭髮那樣細。當纖維變得足夠潮濕時，會在液體中變得封閉，且紗線會變得更加高效，因為這樣改善了纖維之間的電氣接觸。這項技術是基於之前研究人員開發壓電纖維的研究，現在他們進一步增加了尺寸。

（圖片來源：參考資料【2】）

Lund 表示：「壓電纖維由圍繞著導電內核的壓電外殼組成。這種壓電紗線與商用的導電紗線結合組成一個串聯電路。」在進行生產時，纖維暴露於強電場中，引起聚合物中的正負電荷以一種有序地方式分離。當織物被拉伸或者暴露於壓力下時，纖維的形變將引起電荷分布的重組，從而產生電壓。導電紗線形成電流可以在其中流動的閉合電路。