電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/梁浩斌)在整體消費(fèi)市場頹勢下,今年可穿戴設(shè)備市場增長不可避免地放緩。但得益于相關(guān)產(chǎn)品包括智能手表、TWS耳機(jī)等產(chǎn)品的持續(xù)迭代,可穿戴市場邁向成熟,多家機(jī)構(gòu)預(yù)測2023年穿戴市場將重新恢復(fù)增長。
而在可穿戴設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新方面,各大廠商也在持續(xù)為后續(xù)的市場需求作出相應(yīng)布局。最近北京小米移動軟件有限公司的一項(xiàng)關(guān)于“一種一體化可穿戴設(shè)備”的新專利被授予發(fā)明專利權(quán)并公布了摘要,就展示了一種新的可穿戴設(shè)備形態(tài)。
如上圖所示,這款一體化可穿戴設(shè)備是將眼鏡和藍(lán)牙耳機(jī)結(jié)合起來的產(chǎn)品,看起來平平無奇,跟市面上其他的“智能眼鏡”沒什么區(qū)別。但在眼鏡的內(nèi)部卻大有乾坤,專利摘要顯示,在眼鏡鏡架的內(nèi)部,內(nèi)置了壓電材料和可充電電池的充電組件,通過壓電材料受壓發(fā)電的原理,將人體走動時(shí)內(nèi)置滾珠滾動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,從而為鏡架中內(nèi)置的電池進(jìn)行充電。
同時(shí)鏡架電池通過導(dǎo)線連接到藍(lán)牙耳機(jī)上,持續(xù)進(jìn)行供電,在日常使用中可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙耳機(jī)的無間斷續(xù)航,降低用戶為藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行充電的頻率,提升用戶體驗(yàn)。
不過目前在國家專利檢索網(wǎng)站上,該專利的細(xì)節(jié)文件還未公開,一般來說會在專利授權(quán)后的幾個月內(nèi)才會進(jìn)行公開。但我們可以根據(jù)摘要中的描述來猜測這款可穿戴設(shè)備所使用的技術(shù)。
從創(chuàng)新的角度來看,小米在專利中描述的這款一體化可穿戴設(shè)備,相比目前市面上現(xiàn)有的產(chǎn)品主要的差異點(diǎn)在于其自發(fā)電的功能。過往可穿戴設(shè)備的其中一個痛點(diǎn)是,盡管已經(jīng)往低功耗方面持續(xù)作出努力,但對于用戶而言,定期充電仍是一個較為繁瑣的使用方式。
而通過壓電材料,在可穿戴設(shè)備使用過程中進(jìn)行發(fā)電,對于可穿戴設(shè)備這種低功耗的產(chǎn)品而言是一個不錯的思路。就好比自動上發(fā)條的機(jī)械手表,在擺脫了定期補(bǔ)能之后,無疑會令消費(fèi)者對可穿戴設(shè)備的接受程度提升一個層次。
不過,壓電材料的發(fā)電效率是否能達(dá)到可穿戴設(shè)備的需求,過往受到了很多質(zhì)疑。在很多研究中,利用壓電材料制造的可穿戴能量采集器的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率依然不理想,主要問題一方面在于人類活動的頻率較低,對持續(xù)供電的能力造成很大的影響,另一方面是材料本身的能量轉(zhuǎn)換效率較低,距離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走。
壓電材料的可穿戴應(yīng)用
有意思的是,基于壓電材料,今年以來在學(xué)術(shù)界也有很多在可穿戴設(shè)備上的創(chuàng)新研究。
今年3月,麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授團(tuán)隊(duì)嘗試使用壓電纖維編織而成的織物,可以可用作靈敏的可聽麥克風(fēng),同時(shí)保留織物的傳統(tǒng)品質(zhì),甚至支持機(jī)洗??椢锝橘|(zhì)由棉經(jīng)緯紗中的高楊氏模量紡織紗線組成,將可聽頻率的107個大氣壓的微弱壓力波轉(zhuǎn)換為低階機(jī)械振動模式??椚肟椢锏氖菬崂鞆?fù)合壓電纖維,它與織物貼合并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號。
在應(yīng)用中,用這種織物制造的衣服可以實(shí)現(xiàn)檢測聲音的功能,性能與商用麥克風(fēng)相當(dāng),并可以發(fā)出聲音。在醫(yī)療應(yīng)用中,還可以作為用于心跳監(jiān)測的可穿戴設(shè)備使用。
11月,浙江大學(xué)謝金教授、英國諾森比亞大學(xué)傅永慶教授等人開發(fā)了一種基于柔性壓電聲學(xué)的無線系統(tǒng),具有傳感、通信和定位等多種功能。在高頻刺激下(≈13MHz),該系統(tǒng)可產(chǎn)生蘭姆波用于呼吸監(jiān)測。而在低頻刺激下(≈20kHz),該裝置可作為一個振動膜,用于通信和定位應(yīng)用。該系統(tǒng)的室內(nèi)通信距離在200 bps時(shí)為2.8 m,在25 bps時(shí)為4.2 m。結(jié)合傳感功能,該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測和無線通信。
在實(shí)際應(yīng)用中,這種基于柔性聲波器件的智能無線傳感系統(tǒng),具備低功耗、柔性等特點(diǎn),未來可以應(yīng)用于智能家居、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療健康監(jiān)測和多機(jī)器人協(xié)調(diào)等領(lǐng)域。
可穿戴設(shè)備自供電的另一種解法——TENG
而在可穿戴設(shè)備自供電的研究上,廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)聶雙喜教授課題組近期報(bào)道了一種新型的可視化觸覺傳感器,實(shí)現(xiàn)了無需外接電源的自供電觸覺反饋。他們設(shè)計(jì)了一種被稱為X-TENG的高輸出摩擦納米發(fā)電機(jī),通過對摩擦電材料和器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),TENG的轉(zhuǎn)移電荷增強(qiáng)到746 nC,可以輕松驅(qū)動光源產(chǎn)生亮度為9.8 cd·m-2的光信號。
那么這有什么用呢?在演示的應(yīng)用中,這種傳感器可以在手套上可以實(shí)現(xiàn)沒有外部電源的情況下,對手掌的抓握狀態(tài)進(jìn)行視覺感測和力度反饋,比如當(dāng)手握住一個物體時(shí),X-TENG能夠產(chǎn)生為LED等供電的能量,從而反饋出目前手的狀態(tài)以及握取的力度。在發(fā)電的同時(shí)還可以監(jiān)測出動作力度,這在未來AR/VR等可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互應(yīng)用中,或許會有很大的應(yīng)用前景。
除此之外,中國西北工業(yè)大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)在今年年初也報(bào)道過一種自發(fā)電的可穿戴傳感器,這是基于微金字塔圖案雙網(wǎng)離子有機(jī)水凝膠的觸覺水凝膠傳感器(THS),同樣是通過測量摩擦電輸出信號的變化來檢測細(xì)微壓力變化,并實(shí)現(xiàn)自供電。與其他的類似傳感器相比,THS擁有約85%的高透明度、高靈敏度、高柔韌性、高功率密度的電輸出(峰值20 μW/cm2)等優(yōu)勢,令這種技術(shù)更加適合于可穿戴電子應(yīng)用。
而在可穿戴設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新方面,各大廠商也在持續(xù)為后續(xù)的市場需求作出相應(yīng)布局。最近北京小米移動軟件有限公司的一項(xiàng)關(guān)于“一種一體化可穿戴設(shè)備”的新專利被授予發(fā)明專利權(quán)并公布了摘要,就展示了一種新的可穿戴設(shè)備形態(tài)。
同時(shí)鏡架電池通過導(dǎo)線連接到藍(lán)牙耳機(jī)上,持續(xù)進(jìn)行供電,在日常使用中可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙耳機(jī)的無間斷續(xù)航,降低用戶為藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行充電的頻率,提升用戶體驗(yàn)。
不過目前在國家專利檢索網(wǎng)站上,該專利的細(xì)節(jié)文件還未公開,一般來說會在專利授權(quán)后的幾個月內(nèi)才會進(jìn)行公開。但我們可以根據(jù)摘要中的描述來猜測這款可穿戴設(shè)備所使用的技術(shù)。
從創(chuàng)新的角度來看,小米在專利中描述的這款一體化可穿戴設(shè)備,相比目前市面上現(xiàn)有的產(chǎn)品主要的差異點(diǎn)在于其自發(fā)電的功能。過往可穿戴設(shè)備的其中一個痛點(diǎn)是,盡管已經(jīng)往低功耗方面持續(xù)作出努力,但對于用戶而言,定期充電仍是一個較為繁瑣的使用方式。
而通過壓電材料,在可穿戴設(shè)備使用過程中進(jìn)行發(fā)電,對于可穿戴設(shè)備這種低功耗的產(chǎn)品而言是一個不錯的思路。就好比自動上發(fā)條的機(jī)械手表,在擺脫了定期補(bǔ)能之后,無疑會令消費(fèi)者對可穿戴設(shè)備的接受程度提升一個層次。
不過,壓電材料的發(fā)電效率是否能達(dá)到可穿戴設(shè)備的需求,過往受到了很多質(zhì)疑。在很多研究中,利用壓電材料制造的可穿戴能量采集器的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率依然不理想,主要問題一方面在于人類活動的頻率較低,對持續(xù)供電的能力造成很大的影響,另一方面是材料本身的能量轉(zhuǎn)換效率較低,距離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走。
壓電材料的可穿戴應(yīng)用
有意思的是,基于壓電材料,今年以來在學(xué)術(shù)界也有很多在可穿戴設(shè)備上的創(chuàng)新研究。
今年3月,麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授團(tuán)隊(duì)嘗試使用壓電纖維編織而成的織物,可以可用作靈敏的可聽麥克風(fēng),同時(shí)保留織物的傳統(tǒng)品質(zhì),甚至支持機(jī)洗??椢锝橘|(zhì)由棉經(jīng)緯紗中的高楊氏模量紡織紗線組成,將可聽頻率的107個大氣壓的微弱壓力波轉(zhuǎn)換為低階機(jī)械振動模式??椚肟椢锏氖菬崂鞆?fù)合壓電纖維,它與織物貼合并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號。
在應(yīng)用中,用這種織物制造的衣服可以實(shí)現(xiàn)檢測聲音的功能,性能與商用麥克風(fēng)相當(dāng),并可以發(fā)出聲音。在醫(yī)療應(yīng)用中,還可以作為用于心跳監(jiān)測的可穿戴設(shè)備使用。
11月,浙江大學(xué)謝金教授、英國諾森比亞大學(xué)傅永慶教授等人開發(fā)了一種基于柔性壓電聲學(xué)的無線系統(tǒng),具有傳感、通信和定位等多種功能。在高頻刺激下(≈13MHz),該系統(tǒng)可產(chǎn)生蘭姆波用于呼吸監(jiān)測。而在低頻刺激下(≈20kHz),該裝置可作為一個振動膜,用于通信和定位應(yīng)用。該系統(tǒng)的室內(nèi)通信距離在200 bps時(shí)為2.8 m,在25 bps時(shí)為4.2 m。結(jié)合傳感功能,該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測和無線通信。
在實(shí)際應(yīng)用中,這種基于柔性聲波器件的智能無線傳感系統(tǒng),具備低功耗、柔性等特點(diǎn),未來可以應(yīng)用于智能家居、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療健康監(jiān)測和多機(jī)器人協(xié)調(diào)等領(lǐng)域。
可穿戴設(shè)備自供電的另一種解法——TENG
而在可穿戴設(shè)備自供電的研究上,廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)聶雙喜教授課題組近期報(bào)道了一種新型的可視化觸覺傳感器,實(shí)現(xiàn)了無需外接電源的自供電觸覺反饋。他們設(shè)計(jì)了一種被稱為X-TENG的高輸出摩擦納米發(fā)電機(jī),通過對摩擦電材料和器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),TENG的轉(zhuǎn)移電荷增強(qiáng)到746 nC,可以輕松驅(qū)動光源產(chǎn)生亮度為9.8 cd·m-2的光信號。
那么這有什么用呢?在演示的應(yīng)用中,這種傳感器可以在手套上可以實(shí)現(xiàn)沒有外部電源的情況下,對手掌的抓握狀態(tài)進(jìn)行視覺感測和力度反饋,比如當(dāng)手握住一個物體時(shí),X-TENG能夠產(chǎn)生為LED等供電的能量,從而反饋出目前手的狀態(tài)以及握取的力度。在發(fā)電的同時(shí)還可以監(jiān)測出動作力度,這在未來AR/VR等可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互應(yīng)用中,或許會有很大的應(yīng)用前景。
除此之外,中國西北工業(yè)大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)在今年年初也報(bào)道過一種自發(fā)電的可穿戴傳感器,這是基于微金字塔圖案雙網(wǎng)離子有機(jī)水凝膠的觸覺水凝膠傳感器(THS),同樣是通過測量摩擦電輸出信號的變化來檢測細(xì)微壓力變化,并實(shí)現(xiàn)自供電。與其他的類似傳感器相比,THS擁有約85%的高透明度、高靈敏度、高柔韌性、高功率密度的電輸出(峰值20 μW/cm2)等優(yōu)勢,令這種技術(shù)更加適合于可穿戴電子應(yīng)用。
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