解決可穿戴設(shè)備續(xù)航問題，妙招知多少

　　可穿戴設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)成為了一種非常熱門的科技產(chǎn)品，但是對于這類產(chǎn)品的續(xù)航問題，也成為了許多科學(xué)家及廠商們要解決的難題。

　　1.摩擦靜電轉(zhuǎn)化成可用能源

　　最近，來自新加坡國立大學(xué)的一個科研小組開發(fā)出了一種柔性小體積的裝置，可以將摩擦產(chǎn)生的靜電轉(zhuǎn)化成可用的能源。這個設(shè)備一段接觸到皮膚表面，而另一端則在下面覆蓋了一層金硅薄膜。同時這種裝置的兩端則分別有柱狀的硅橡膠，這種支柱設(shè)計可以帶來更大的電量輸出，同時允許更大的面積與皮膚接觸。

　　這個研究小組在2015年的IEEE MEMS會議上展出了自己的研究成果，并且證明產(chǎn)生的電能可以為一些設(shè)備來進(jìn)行供電。通過將這個裝置附著到測試者的手臂和喉嚨處，通過握緊拳頭和說話分別可以產(chǎn)生7.3v和7.5v的電壓。如果不斷磨擦手紙，最高可以產(chǎn)生90v的電壓，可以直接用來點亮LED光源。這個團(tuán)隊計劃未來開發(fā)出體積更大的電池，這樣就可以更加充分的利用人體皮膚摩擦帶來的電能。

　　其實除了這種摩擦供電的電池之外，其實之前世界上還出現(xiàn)了許多其它形式的研究。比如一種新型紋身可以將人類的汗水轉(zhuǎn)化成電力、或者通過特殊的耳機將我們的下巴變成“發(fā)電機”?？磥?，解決未來可穿戴設(shè)備的供電問題，似乎還有許多另類的途徑。

　　2.新型紋身：汗水轉(zhuǎn)化成電力

　　8月16日，美國加州大學(xué)圣迭戈分校研究人員約瑟夫·王（Joseph Wang）發(fā)明一種臨時智能紋身，可通過汗液發(fā)電，將來有一天為手機和其他可穿戴設(shè)備提供電力。

　　這種紋身會粘附在你的皮膚上，檢測汗液中化學(xué)乳酸水平，然后利用這種乳酸制造微型燃料電池。當(dāng)我們鍛煉至精疲力竭之時，肌肉通常會有灼燒感覺，這與乳酸積累有關(guān)。對于肌肉來說，乳酸是一種廢物，是新陳代謝的一個終點。

　　運動生理學(xué)家已經(jīng)可以檢測人體肌肉或血液中所含乳酸水平。當(dāng)乳酸從汗液中釋放出來后，新的傳感技術(shù)誕生了。王發(fā)明的智能紋身中有一個傳感器，可吸引乳酸中的電子，乳酸可以產(chǎn)生電流。王估計，每平方厘米皮膚可產(chǎn)生70微瓦電量。研究人員向乳酸傳感器中增加電池，以捕捉和儲存電流，從而形成所謂的生物燃料電池。

　　無論你其行車或是走路，你出汗越多，體內(nèi)產(chǎn)生的乳酸就越多，這意味著電池中可以儲存的電量就越多。現(xiàn)在，這種智能紋身只能產(chǎn)生很少的電量，但研究人員希望這種生物燃料電池將來有一天可產(chǎn)生足夠電量，為智能手表、心率監(jiān)控器或智能手機供電。

　　摩托羅拉也曾創(chuàng)造一種臨時紋身，可以由于為手機解鎖。也許你下一個手機必備配件，可能只需要身體上的一小塊墨跡了。

　　3.太陽能電池

　　太陽能電池不是只有發(fā)電場、路燈這些大型應(yīng)用，我們將看到微型版本的太陽能電池為可穿戴設(shè)備提供足夠的能量。不需要電池的太陽能手表已經(jīng)存在很多年了，Energy BioNIcs最近開發(fā)的一款太陽能手表不僅可以滿足自身需求，還可以為其它設(shè)備供電。

　　把太陽能電池應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的一大問題是，設(shè)備需要光照才能發(fā)電，一旦光線被遮住，比如在袖子下面，就沒法產(chǎn)生能量了。不過從另一個角度看，這也讓太陽能電池成為智能服裝的一個好選擇，柔性電池甚至可以直接縫進(jìn)織物中去。

　　傳統(tǒng)的太陽能電池設(shè)計針對的是太陽光，因為太陽光的強度要遠(yuǎn)高于室內(nèi)常見光源。為解決這一問題，一些新材料正在開發(fā)出來，能夠在室內(nèi)發(fā)電，效率也大大提高。

　　4.熱電收集

　　熱電收集是把熱能轉(zhuǎn)換為電能，使用的物理原理叫塞貝克效應(yīng)。珀耳帖元件加上一對特定的半導(dǎo)體，只要出現(xiàn)溫差就會產(chǎn)生電流。

　　對可穿戴設(shè)備來說，不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端。產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量，因而對緊貼皮膚，能量需求又高的設(shè)備來說很有潛力。熱電回收的一大優(yōu)勢是能量源源不斷，不管是室內(nèi)還是室外，白天還是黑夜都能利用。

　　5.壓電收集

　　壓電收集把機械能轉(zhuǎn)換為電能。在壓電元件中，由于壓電效應(yīng)，只要元件受到機械力操縱就會產(chǎn)生微小的電流。在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，壓電元件的設(shè)計通常是靠行走、呼吸或手的運動所帶來的振動進(jìn)行發(fā)電。

　　壓電收集所產(chǎn)生的能量相對較少，這使它的應(yīng)用主要限制在耗電較少的設(shè)備以及總是處于運動狀態(tài)的身體部位?？茖W(xué)家正在研發(fā)的聚合物壓電纖維具有柔韌透氣的特點，可以置入織物當(dāng)中，也有很廣泛的應(yīng)用場景。

　　6.優(yōu)化可穿戴設(shè)備的電量存儲和消耗

　　想要讓可穿戴設(shè)備徹底不用充電，能量收集只是一方面。能量存儲是另一個有很大提升空間的方面。這方面超級電容器和石墨烯潛力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善電池和電容的效率，從而提高可穿戴設(shè)備的整體性能。而結(jié)構(gòu)電容器可以把可穿戴組件變成能量存儲器，從而不需要額外空間來安放電池。

　　另一個讓可穿戴設(shè)備提高續(xù)航甚至完全不用充電的方法是大幅減少傳感器、芯片和通信系統(tǒng)的能量消耗。智能手機的成功推動了低能耗高性能芯片的發(fā)展?？纱┐髟O(shè)備的處理器所需要計算能力和能量還更少。為應(yīng)對這一問題，包括Intel在內(nèi)的芯片大廠正通過把處理器、內(nèi)存和通信模塊整合到單一芯片中去，從而減少常見的一些能量損失。

　　選擇最高效的連網(wǎng)技術(shù)對減少能量消耗也有很大幫助。展望未來，越來越多的傳感器和設(shè)備佩戴在身體的不同部分，使得名為“身體區(qū)網(wǎng)絡(luò)”的高效通信方式在節(jié)省能量方面潛力巨大。諸如EnOcean等公司開發(fā)了優(yōu)化過的協(xié)議，使用相對IPv6更短的數(shù)據(jù)電報，從而讓同等量級的信息傳輸所消耗的能量顯著降低。

　　所有這些不同方面的改進(jìn)都在推動可穿戴設(shè)備步入一個不用充電的時代，同時大幅提高性能表現(xiàn)。加上無線充電等技術(shù)，消費者可能很快就會看到可穿戴設(shè)備用戶體驗的大幅提升，而這也會進(jìn)一步把可穿戴推向更廣泛的市場。