可穿戴尺寸生成器可跟蹤野生動(dòng)物的一生

可穿戴設(shè)備和幾乎所有其他技術(shù)一樣，都需要能源。不過(guò)，幸運(yùn)的是，在可穿戴設(shè)備適度的電力預(yù)算下，能源實(shí)際上無(wú)處不在。它存在于陽(yáng)光和無(wú)線電波、皮膚的汗液和體溫、一個(gè)人的動(dòng)作和腳步聲中。如今，技術(shù)正在成熟，可以收獲大量的能量贈(zèng)品，將可穿戴設(shè)備從需要電池的狀態(tài)中解放出來(lái)。這對(duì)一系列公司和研究人員來(lái)說(shuō)似乎很有吸引力。

“能源是我們認(rèn)為理所當(dāng)然存在的東西，感覺(jué)就像空氣一樣無(wú)所不在。但我們確實(shí)需要長(zhǎng)期輸出這種能源，”Alper Bozkurt說(shuō)，他與Veena Misra共同領(lǐng)導(dǎo)了北卡羅來(lái)納州立大學(xué)先進(jìn)自供電集成傳感器和技術(shù)中心（Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies，ASSIST）。

今天最著名的可穿戴能源收集技術(shù)當(dāng)然是太陽(yáng)能，它從陽(yáng)光或環(huán)境光中提取電子。但太陽(yáng)能只是剛剛開(kāi)始。研究人員發(fā)現(xiàn)，有多種選擇可以獲得足夠的微瓦能量來(lái)更換可穿戴設(shè)備的電池。其中包括壓電發(fā)電機(jī)和摩擦發(fā)電機(jī)，它們利用機(jī)械應(yīng)變和材料的靜電特性來(lái)發(fā)電。同時(shí)，眾所周知的電磁感應(yīng)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生顛簸、跳躍和大步，產(chǎn)生微小但仍然有用的電流。

雖然可穿戴設(shè)備通常不需要太多電力，但可穿戴設(shè)備必須易于佩戴。一個(gè)裝有巨大太陽(yáng)能電池板的背包在技術(shù)上可能可行，但在現(xiàn)實(shí)中不行。

需求和能源的多樣性在最近的一系列能源收集研究中顯而易見(jiàn)，包括一些整合多種模式的混合工作。

汗液的力量

加州理工學(xué)院的Wei Gao開(kāi)發(fā)了一種自供電的“電子皮膚”。他說(shuō)，電子皮膚是一種直接應(yīng)用于皮膚的傳感器嵌入式設(shè)備，用于讀取和傳輸心率、體溫、血糖和代謝副產(chǎn)物等健康指標(biāo)。

Gao說(shuō)：“個(gè)性化醫(yī)療可以徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療實(shí)踐。但要結(jié)合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設(shè)計(jì)和工具。其中最重要的是能量存儲(chǔ)（和發(fā)電）?！?/p>

Gao的第一款電子皮膚于2020年4月生產(chǎn)，由柔軟柔韌的橡膠制成，它利用患者的汗水為設(shè)備提供動(dòng)力。該設(shè)備使用內(nèi)置的燃料電池，吸收汗液中的乳酸，并將其與大氣中的氧氣結(jié)合，生成水和丙酮酸鹽。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，生物燃料產(chǎn)生了足夠的電力，為電子皮膚的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸提供動(dòng)力，將電容器從1.5伏持續(xù)充電到3.8伏，持續(xù)充電約60小時(shí)。（對(duì)于電容器來(lái)說(shuō)，電壓轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)的電子——電容器兩端的電壓降與其總電荷成比例。）

幾個(gè)月后，Gao和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)電子皮膚模型，該模型利用運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)產(chǎn)生摩擦電，即從不同靜電性質(zhì)的材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中釋放電流。這種第二代電子皮膚夾著聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片，隨著人的移動(dòng)而滑動(dòng)，產(chǎn)生0.94毫瓦的最大功率。

團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將轉(zhuǎn)向3D打印。在9月份發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi6492）中，他們3D打印了一種名為e3皮膚（表流體彈性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統(tǒng)的基本組件——物理傳感器、化學(xué)傳感器、微流體和超級(jí)電容器。

該平臺(tái)使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極等，以及由太陽(yáng)能電池供電的微型超級(jí)電容器。Gao說(shuō)，3D打印的精度使研究人員能夠創(chuàng)建用于健康狀況早期預(yù)警和診斷的定制組件。

可穿戴技術(shù)與動(dòng)物？

許多關(guān)于可穿戴技術(shù)的討論都集中在健康或其他人類需求上。但由于目前的技術(shù)還不夠，生物學(xué)家們也在研究用于追蹤動(dòng)物的能量采集。電池的能量總是不及動(dòng)物 —— 太陽(yáng)能對(duì)夜間活動(dòng)的動(dòng)物或弱光環(huán)境中的生物不起作用。一個(gè)從跑步者晚間慢跑中獲取能量的小裝置顯然不適用于重達(dá)一噸的大型野牛。

這些挑戰(zhàn)激發(fā)了哥本哈根大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克動(dòng)物行為研究所的研究團(tuán)隊(duì)，為他們的目的構(gòu)建一個(gè)更好的可穿戴尺寸生成器：理想情況下，跟蹤野生動(dòng)物的一生。目前，對(duì)于大多數(shù)哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，使用電池和太陽(yáng)能設(shè)備是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。

在5月份發(fā)表在PLoS One上的研究（https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0285930 - sec010）中，他們?cè)敿?xì)介紹了Kinefox，一種野生動(dòng)物只需通過(guò)移動(dòng)就能充電的GPS跟蹤器。該團(tuán)隊(duì)用三種動(dòng)物測(cè)試了他們的設(shè)備：四只家狗、一匹埃克斯穆?tīng)栃●R和一頭歐洲野牛。

該團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)源于自18世紀(jì)末以來(lái)一直存在的自動(dòng)上弦手表，它將手腕運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為能量。因此，研究人員購(gòu)買(mǎi)了一款為可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的商用微型發(fā)電機(jī)，名為Kinetron MSG32。他們將其與鋰離子電容器和定制的GPS追蹤器相結(jié)合，該追蹤器通過(guò)Sigfox低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

馬克斯·普朗克動(dòng)物行為研究所的客座科學(xué)家Troels Gregersen說(shuō)：“我們想把已經(jīng)創(chuàng)造出來(lái)的東西進(jìn)行調(diào)整使其適用于動(dòng)物追蹤，盡管它最初并不是為此而設(shè)計(jì)的?！?/p>

研究人員的第一個(gè)版本將Kinefox安裝在動(dòng)物現(xiàn)有的項(xiàng)圈和背帶上，以便觀察和學(xué)習(xí)。

然而，Gregersen說(shuō)：“我們給野牛戴上的第一個(gè)項(xiàng)圈立即被摧毀了。它們是900公斤重的動(dòng)物，又在奔跑。這在人類可穿戴設(shè)備中不是一個(gè)用例。”

根據(jù)第一個(gè)版本的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)最終創(chuàng)建了一個(gè)自定義跟蹤器和項(xiàng)圈。他們將微型發(fā)電機(jī)的鐘擺式自動(dòng)手表機(jī)芯粘在一個(gè)鐵磁環(huán)上，將組合放在一圈銅線周圍。當(dāng)鐘擺隨著動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，環(huán)在線圈中產(chǎn)生交流電，電壓倍增電路將其轉(zhuǎn)換為直流電。

Gregersen說(shuō)：“當(dāng)動(dòng)物出生時(shí)，可以放置一次追蹤器，這很有價(jià)值。如果某個(gè)東西可以傳輸新類型的數(shù)據(jù)，或者它可以持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，那么它的應(yīng)用就具有價(jià)值?！?/p>

Kinefox是開(kāi)源的，文件發(fā)布在GitHub上。并且，馬克斯·普朗克的研究人員表示，傳統(tǒng)的野生動(dòng)物跟蹤器的價(jià)格為3500至4000歐元，而Kinefox的材料價(jià)格約為270歐元。Gregersen說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)正在與總部位于荷蘭蒂爾堡的Kinetron公司進(jìn)行談判，以生產(chǎn)專門(mén)為動(dòng)物設(shè)計(jì)的微型發(fā)電機(jī)。

挑戰(zhàn)：可持續(xù)性和行業(yè)合作

展望未來(lái)，一些研究人員專注于將獨(dú)特的材料結(jié)合起來(lái)，并用更可持續(xù)的材料創(chuàng)建能源收集系統(tǒng)。包括日本東北大學(xué)研究人員（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2300163X?via%3Dihub）在內(nèi)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)了一種耐用、高效的能量采集器，該采集器將壓電復(fù)合材料與碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）相結(jié)合。

該小組使用CFRP、鈮酸鈉鉀（KNN）納米顆粒和環(huán)氧樹(shù)脂制造了他們的設(shè)備。東北大學(xué)研究生、該研究的合著者Yu Yaonan說(shuō)，即使使用了10萬(wàn)次，該設(shè)備仍然可以儲(chǔ)存它產(chǎn)生的電力。

Yu說(shuō)，這種強(qiáng)度和能量產(chǎn)生的結(jié)合可以用于幾種類型的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括加固橋梁和高速公路的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)裂縫、坑洞或其他損壞時(shí)，這些系統(tǒng)可以感知。

另外，ASSIST中心的Bozkurt表示，最佳應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹菙?shù)據(jù)分析，以及匹配能量收集能力，以收集和傳輸用戶真正需要的數(shù)據(jù)。

審核編輯：彭菁