新型自供電設備：利用人體運動為電子產品供電！

導讀

近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST ）的科研團隊開發出兩種無需外部電源的小型自供電設備。它們利用摩擦電效應，自己獨立產生電力，並能為小型電子系統供電。

背景

遠程感測器、可穿戴電子設備、植入式生物感測器、納米機器人等新一代微系統中，電池一直是制約系統性能與用戶體驗的關鍵瓶頸之一。為了克服這一瓶頸，「自供電」是一個萬眾期待的功能。

什麼是自供電？簡單說，它是讓微系統不需要藉助外部電源就能運行的技術。既然沒了外部電源，那麼微系統的能量又是如何而來呢？答案是：自供電技術可以將周圍環境中的各種能量轉化成電能，這些能量包括：熱能、機械能、輻射能、化學能等等。

之前，筆者介紹的許多有關自供電技術的案例，已經充分展示了這項技術的特點，以及環境中的各種能量是如何轉化成電能的。下面通過其中的三個經典案例，帶大家一起回顧一下：

1）美國密歇根州立大學的科研人員開開發出基於鐵電駐極體納米發電機（FENG）的柔性設備，它讓電子設備直接從人體運動中採集能量。

（圖片來源：密歇根州立大學）

2）中科院、重慶大學、美國喬治亞理工學院、台灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊，在中華傳統剪紙藝術啟發下，開發出一種輕量的、剪紙式樣的摩擦電納米發電機（TENG），能夠採集來自人體運動的能量。

（圖片來源：美國化學會）

3）美國北卡羅萊納州立大學開發的可穿戴熱電發電機（TEGs)，它可以利用人的身體與周圍環境之間的溫度差異來發電。

（圖片來源：北卡羅萊納州立大學）

創新

今天，我們繼續介紹有關自供電的創新研究案例。近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的科研人員 Husam Alshareef、Jr-Hau He、Khaled Salama 領導的科研團隊開發出兩種無需外部電源的小型自供電設備。它們利用摩擦電效應，自己獨立產生電力，並能為小型電子系統供電。

技術

摩擦起電，是日常生活中十分常見的物理現象。但是，許多摩擦產生的電力往往都被忽視與浪費掉了，沒有得到有效的收集與利用。為了有效地利用摩擦所產生的電力，將機械能轉化為電能，科學家們發明出了一種典型的設備：摩擦電納米發電機（TENG）。

有了這款設備，我們就能採用自身運動（例如：拍手、跺腳、手指敲擊）產生的能量，為隨身攜帶的電子產品充電。這並不是出現在科幻小說中的場景，筆者介紹過的許多創新案例都已經在一定程度上實現了這一功能。

那麼，TENG的原理究竟是什麼？答案是：在TENG的內部電路中，由於摩擦起電效應，兩個帶有不同摩擦電極性的材料薄層之間會發生電荷轉移，二者之間會形成電勢差；在TENG 的外部電路中，在電勢差驅動下，在摩擦電材料層背面分別粘貼著的兩個電極之間或電極與地之間，電子會發生流動來平衡這個電勢差。

在其中一項研究中，研究人員開發出一種自供電的光電探測器。他們通過將硅樹脂基聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）與一種稱為「有機金屬鹵化物鈣鈦礦」的材料相結合，設計出TENG（參考資料【2】）。這種基於鹵化鉛的材料具有太陽能電池和發光二極體所需要的光電特性。

為了精簡設計並去除運動致動器，團隊採用了兩個由小空隙隔開的多層聚合物基的薄片，製成光電探測器。一個薄片由超薄的鈣鈦礦膜組成，另外一個薄片含有PDMS層。當設備受到手指敲擊時，空隙使得研發團隊能利用摩擦電效應產生的能量。

光電探測器研究的領導作者 Mark
Leung 表示：「自供電設備展現出傑出的響應性，特別是當暴露於低強度光線中的時候。」 因為聚合物成分具有柔性和透明性，無論入射光來自哪個方向，在彎曲1000次後，它仍然可以保持性能。

為了進一步拓展研究範圍，在另外一項研究（參考資料【3】）中，研究人員設計出一個可穿戴的自供電手環，它通過將嵌入碳纖維的硅樹脂納米發電機與二維過渡金屬碳化物(MXene)微型超級電容相結合，將機械能轉化為電能並存儲起來。

（圖片來源：KAUST）

他們將納米發電機和微型電化學電容，集成到包裝在硅橡膠中的單個單體設備中。這種防漏且可拉伸的外殼具備柔性，柔軟的手環可完全符合身體要求。皮膚與硅膠的間距變化，改變了電極之間的電荷平衡，引起電子通過TENG來迴流動，對微型超級電容進行充電。

（圖片來源：KAUST）

除了展示出了更長的循環壽命和更短的充電時間， MXene 微型超級電容在給定區域中，比薄膜以及微型電池集聚的能量更多，從而提供了基於摩擦電納米發電機產生電力、更快速、更有效的小規模能量存儲單元。手環被激活後，可將存儲的能量提供給各種電子設備，例如手錶和溫度計。

（圖片來源：參考資料【3】）

自供電手環項目的論文領導作者、博士生 Qiu Jiang 表示：「我們的最終目標是開發一個自供電的感測器平台，進行個性化的健康監測。」 團隊正在計劃將感測器引入到系統中，檢查人體汗液中的生物標記物。

價值

正如筆者之前多次表述的，電池是制約小型電子系統性能與用戶體驗的關鍵瓶頸，因為它讓我們無法擺脫續航時間和反覆充電的困擾。

今天介紹的有關自供電技術的兩個研究案例，讓我們看到了未來在光電、感測器、醫療、可穿戴設備、柔性電子等諸多領域，自供電技術將進一步發揮作用。有了自供電技術，未來我們可以利用人體運動或者周圍環境的能量，隨時隨地為電子產品供電，不用再為電池電量耗盡或者找不到充電器而發愁。

關鍵字

自供電、摩擦電、光電、可穿戴

參考資料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/495/the-raw-power-of-human-motion

【2】Leung, S.-F., Ho, K.-T., Kung, P.-K., Hsiao, V.K. ., Alshareef, H.N.
Wang, Z.L. & He, J-H. A self-powered and flexible organometallic
halide perovskite photodetector with very high detectivity. Advanced Materials 30, 1704611 (2018).| https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201704611

【3】Jiang, Q., Wu, C., Wang, Z.,
Wang, A. C., He, J.-H. Wang, Z.L. & Alshareef, H.N. MXene electrochemical
microsupercapacitor integrated with triboelectric nanogenerator as a wearable
self-charging power unit. Nano Energy 45, 266–272 (2018).| https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518300053?via%3Dihub

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