如何利用人體熱量供電的柔性熱電發(fā)電機及能量管理系統(tǒng)

盡管可穿戴設備有可能徹底革新人機交互，但它的廣泛采用受到不間斷、高效的能源供給的極大制約。這類設備需要為數(shù)據(jù)密集型傳感和傳輸提供可靠的能源，這進一步加劇了這一挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的熱電解決方案在極低的電壓條件下無法達到令人滿意的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，丘陵山區(qū)農業(yè)裝備重慶市重點實驗室、西南大學 、北京理工大學、上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院上海市創(chuàng)傷骨科研究所以及伊利諾伊大學香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，UIUC）吉斯商學院（Gies College of Business）等多所高校和科研單位成立的一支科研團隊提出了一種集成了能量管理系統(tǒng)（EMS）的可穿戴熱電發(fā)電機（TEG）的最新解決方案，該方案可利用人體熱量為傳感器和藍牙供電。相關研究成果以“Flexible thermoelectric generator and energy management electronics powered by body heat”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

與之前的研究不同，該團隊的創(chuàng)新之處在于使熱電發(fā)電機能夠在人體皮膚和周圍環(huán)境間很小的溫差下（即4?K）持續(xù)工作，確保在短至1.6s的時間內可靠地傳輸數(shù)據(jù)?。此外，該新系統(tǒng)可以在超低電壓（30?mV）條件下利用人體熱量充電，為不依賴電池的自供電可穿戴設備連續(xù)、可靠地監(jiān)測提供了新途徑。該研究的主要貢獻如下：（1）創(chuàng)新的能量管理系統(tǒng)：研究人員通過能量管理（EM）電路和超級電容器，有效地控制和利用了熱電發(fā)電機的不一致輸出，實現(xiàn)了器件在較低溫差下的運行，顯著提高了可用性。（2）系統(tǒng)集成和通用性：研究人員將熱電偶和能量管理電子器件集成在同一聚酰亞胺（PI）襯底上，減輕了界面效應，提高了柔性熱電發(fā)電機的歸一化功率密度，提高了能量轉換能力。該系統(tǒng)設計為從30?mV起步工作，擴展了各種熱電器件的兼容性，簡化了自供電可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署。

該研究提出的是一種以人體熱量作為供能的可穿戴健康監(jiān)測手環(huán)（圖1a）。該手環(huán)集成了柔性熱電發(fā)電機（FTEG）、可穿戴能量管理電子器件、藍牙低功耗（BLE）無線芯片組、傳感器和外圍電子器件（原型如圖1b的插圖所示），可以佩戴在手腕上（圖1b）。在室溫下，碲化鉍基合金材料是具有良好性能的優(yōu)選熱電材料。三碲化二鉍（Bi2Te3）熱電顆粒被選為柔性熱電發(fā)電機的基本構建塊，以創(chuàng)建皮膚和環(huán)境之間的溫差來發(fā)電。P型和N型三碲化二鉍顆粒交錯排列，采用聚酰亞胺膜作為柔性襯底，底部和頂部的聚酰亞胺與銅電極連接，形成π型結構，以實現(xiàn)柔性熱電發(fā)電機的電連接（圖1c）。

圖1 集成柔性熱電發(fā)電機和能量管理系統(tǒng)的自供電可穿戴手環(huán)

傳感器實時采集皮膚溫度數(shù)據(jù)，并通過藍牙鏈路無線傳輸至新開發(fā)的健康監(jiān)測移動應用終端，實現(xiàn)人體溫度實時監(jiān)測（圖1e）。柔性電路使用聚酰亞胺膜作為襯底，從而實現(xiàn)柔性熱電發(fā)電機、能量管理系統(tǒng)、傳感器、藍牙低功耗和外圍電子器件的完全柔性集成。新型集成能量管理系統(tǒng)的健康監(jiān)測手環(huán)與發(fā)電機的發(fā)電性能相匹配，因此柔性熱電發(fā)電機可以在較低的溫差下穩(wěn)定工作，克服了傳統(tǒng)可穿戴設備對電池維護的限制。

目前的柔性熱電發(fā)電機通常不關注器件電極排布中的應力流。在實際應用中，柔性器件在使用過程中需要彎曲。P型和N型熱電顆粒和電極在彎曲過程中受到較大的應力變化。因此，研究人員從應力流的角度分析了傳統(tǒng)的電極排布后，提出了一種低應力電極排布方案。

研究人員比較了柔性熱電發(fā)電機的兩種電極排布在不同撓度下的應力分布，設置了銅電極的應力閾值，并分別計算了柔性熱電發(fā)電機不同撓度下電極數(shù)量與總電極數(shù)量的比值（圖2a、b）。傳統(tǒng)的電極排布的閾值比明顯高于該研究中使用的電極排布的閾值比（圖2c）。從應力分布圖中可以明顯看出，傳統(tǒng)的電極排布在彎曲狀態(tài)下受到更大的應力，這不利于高柔性需求的可穿戴場景。因此，在設計柔性可穿戴設備時，應根據(jù)使用條件進行應力分析，使器件能夠在低應力狀態(tài)下工作，提高器件的耐久性。

圖2 柔性熱電發(fā)電機的設計與仿真

隨著柔性熱電發(fā)電機包括后端能量管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸電子器件的完整和靈活集成，研究人員開發(fā)了一種適用于人類健康監(jiān)測的柔性手環(huán)（圖3a）。柔性熱電發(fā)電機的功能基于人體皮膚和周圍環(huán)境之間的溫差，其輸出電流和電壓隨著溫度梯度增大而增加（圖3b）。在正常狀態(tài)下，當溫差為2?K時，柔性熱電發(fā)電機提供89 mV的穩(wěn)定輸出電壓?，電流為3?mA，該如此小的溫差下，實現(xiàn)了可靠的供電。柔性熱電發(fā)電機輸出極性連接到能量管理系統(tǒng)。無論柔性熱電發(fā)電機輸出電壓的極性是正極還是負極，能量管理系統(tǒng)都能正常工作，解決了柔性熱電發(fā)電機冷端和熱端反轉導致輸出電壓極性反轉的問題（即使環(huán)境溫度高于人體溫度，只要溫差達到2?K，集成了能量管理系統(tǒng)的柔性熱電發(fā)電機就可良好運轉）。

圖3 小溫差下能量管理電子器件的性能

為了評估柔性熱電發(fā)電機在實際應用中的性能，研究人員構建了一個柔性熱電測試平臺（圖4a）。水浴加熱平臺和燒杯作為熱源，冷凝器管幫助冷端冷卻。并在冷端和熱端固定有鋁箔，以確保整個柔性熱電發(fā)電機的溫度分布的均勻性。研究人員通過調節(jié)水浴和冷凝液溫度來調節(jié)熱端和冷端之間的溫差。

研究人員通過改變溫差，在平面和彎曲狀態(tài)下對柔性熱電發(fā)電機進行了熱電性能測試（圖4b為平面狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，圖4c為彎曲狀態(tài)下的數(shù)據(jù)）。研究人員設定的彎曲半徑為30?mm，相當于成年男性手腕的平均半徑。研究人員通過比較平面狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下的內阻數(shù)據(jù)，觀察到當溫差超過5?K時，柔性熱電發(fā)電機在平面狀態(tài)下的內阻約為15Ω?；然而，當手環(huán)被穿戴處于彎曲狀態(tài)下時，內阻增加到約60Ω，因此，與未彎曲的狀態(tài)相比，柔性熱電發(fā)電機在彎曲狀態(tài)下的輸出功率降低到約五分之一。

圖4 柔性熱電發(fā)電機平面和彎曲狀態(tài)下的性能測試

綜上所述，在該研究中，研究人員提出了一種完全柔性的人體熱量驅動的自供電健康監(jiān)測可穿戴設備，該設備集成了柔性熱電發(fā)電機和能量管理電子器件。柔性熱電發(fā)電機捕獲人體熱能并將其轉換為電能，為柔性熱電發(fā)電機量身定制的能量管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效的能量管理，為后端傳感器和無線傳輸模塊供電，實現(xiàn)穩(wěn)定的人體溫度實時監(jiān)測。此外，研究人員從應力流的角度對柔性熱電發(fā)電機電極排布進行了深入分析，并引入了低應力電極排布。與傳統(tǒng)的π型結構相比，在穿戴狀態(tài)下電極應力顯著降低，大大提高了器件的可靠性。

研究人員證明，新開發(fā)的柔性熱電發(fā)電機和能量管理系統(tǒng)可以在正常和穿戴狀態(tài)下，分別在2?K和4?K的溫差下為傳感器和藍牙低功耗供電。仿真的人體熱量驅動的柔性熱電發(fā)電機和能量管理系統(tǒng)能夠為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的“自我意識”場景提供可靠、不間斷的健康狀態(tài)監(jiān)測，為更可靠、更環(huán)保的可穿戴設備提供了機會。研究人員注意到，在可穿戴應用中，對更安全的熱電材料的需求將推動未來的研究，使其朝著增強生物相容性和改進器件結構設計的方向發(fā)展。此外，能量管理方法的適應性值得探索，以增強最先進的柔性熱電發(fā)電機的實際應用，例如先進的熱電纖維和顆粒，以用于實時健康監(jiān)測。

審核編輯：劉清