事實上，將體溫發(fā)電與可穿戴設備相結合直至今天仍是一項創(chuàng)新之舉。

1998 年，日本著名制表公司精工（SEIKO）曾發(fā)布過一款由體溫供電的石英表 Seiko Thermic，做出了將熱電技術應用于手表的一次較早嘗試——不過在一顆普通紐扣電池就能支持石英表 1-3 年續(xù)航的年代，這款產品即便令人眼前一亮，最終也并未獲得商業(yè)成功。

后來在 2016 年，硅谷初創(chuàng)公司 Matrix Industries 針對智能手表的續(xù)航問題，在眾籌網站 Indiegogo 上發(fā)布了世界上第一款純熱電驅動的智能手表 Powerwatch，引發(fā)不少關注。

事實上，將體溫發(fā)電與可穿戴設備相結合直至今天仍是一項創(chuàng)新之舉。

最近，一組哈工大研究人員就開發(fā)出了一種小型可穿戴設備，可將人體皮膚發(fā)出的熱量轉化為電能。

把設備戴在手腕上，可以實現為 LED 燈供電。

2021 年 4 月 29 日，相關研究成果發(fā)表于《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜志，題為 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一種基于 Mg3Bi2 熱電模塊的可穿戴實時電源）。

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柔性「體溫發(fā)電機」

先來了解一下何謂「熱電技術」。

在兩種金屬構成的回路中，如果金屬結點處溫度不同，處在較溫暖區(qū)域的電子受熱移動至較冷的區(qū)域，該回路就會產生一個電勢差（電壓），在連接它們的導線上產生電流。

簡而言之，這項技術就是利用熱電裝置的溫度差產生電壓。

由于電流較弱，熱電技術通常只能為能量需求不大的設備供電，而可穿戴設備基本部件的功耗一般在 100nW（納瓦）到 10mW（毫瓦）之間（如下圖所示），基于此，將這項技術應用于可穿戴設備和人體植入裝置將是絕佳的選擇。

在研究人員看來，「熱電發(fā)電機」（Thermoelectric generators，以下簡稱 TEG）為可穿戴電子設備供能在未來將是一項很有前景的應用。

TEG 將是傳統(tǒng)電池的一個很好的替代，原因在于其獨特的特性，比如無工作流體、無運動部件、操作過程安靜、可靠、便攜等等。

正如研究人員所言：

TEG 可以收集體溫這樣的分散式低品質熱量，使之轉化為電能。

但值得關注的是，傳統(tǒng)的剛性 TEG 難以兼容可穿戴產品，因此研究人員的目標便是設計一種柔性 TEG（flexible TEG，即 FTEG）。

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實時為 LED 燈供電

材料方面，研究人員設計的 FTEG 包括 p 型碲化銻（Sb2Te3）和 n 型鉍化鎂（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基體和柔性印刷電路板（FPCB）電極。

n 型 Mg3Bi2 基材料被學術界認為是近室溫應用的優(yōu)質材料。另外據《中國科學報》報道：

市面上的 TEG 在很大程度上依賴于稀有金屬碲，而新設計用鎂基材料部分取代了碲基材料，這可以降低大規(guī)模生產的成本。

下圖展示的是材料的電阻率（ρ）、塞貝克系數（S，即半導體材料的溫差電動熱）、功率因數（PF ）、熱導率（κ）和 ZT（品質因數）值。

具體制造過程則是：

將 FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上；

用激光標記去除多余的 PI 膜（聚酰亞胺薄膜）；

把 n 型和 p 型熱電支腿交替布置在基板上；

將熱電模塊剝離基板，用 PU 填充。

最終數據表明，這款 FTEG 設備具有較低的熱旁路和高效的熱接觸面，在環(huán)境溫度為 16 攝氏度（氣流速度 1.1 m/s）時將設備放在手臂上，峰值功率密度約為 20.6 μW/cm2；在溫差 -223.15 攝氏度時，峰值功率密度為 13.8 mW/cm2。

不僅如此，該設備在 13.4 mm 的彎曲半徑下承受 10000 次彎曲循環(huán)后無顯著變化（小于 1.4%）。

研究人員將尺寸為 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 設備放置在手臂上，成功點亮了 LED（發(fā)光二極管）燈——這表明該 FTEG 設備具有為可穿戴設備提供實時電源的潛力。

編輯：jq