電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在整體消費(fèi)市場(chǎng)頹勢(shì)下，今年可穿戴設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)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(chǎng)邁向成熟，多家機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2023年穿戴市場(chǎng)將重新恢復(fù)增長(zhǎng)。

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(chǎng)需求作出相應(yīng)布局。最近北京小米移動(dòng)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(dòng)時(shí)內(nèi)置滾珠滾動(dòng)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(guó)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(huì)在專利授權(quán)后的幾個(gè)月內(nèi)才會(huì)進(jìn)行公開。但我們可以根據(jù)摘要中的描述來猜測(cè)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(gè)痛點(diǎn)是，盡管已經(jīng)往低功耗方面持續(xù)作出努力，但對(duì)于用戶而言，定期充電仍是一個(gè)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(duì)于可穿戴設(shè)備這種低功耗的產(chǎn)品而言是一個(gè)不錯(cuò)的思路。就好比自動(dòng)上發(fā)條的機(jī)械手表，在擺脫了定期補(bǔ)能之后，無疑會(huì)令消費(fèi)者對(duì)可穿戴設(shè)備的接受程度提升一個(gè)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(dòng)的頻率較低，對(duì)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(zhǎng)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(gè)大氣壓的微弱壓力波轉(zhuǎn)換為低階機(jī)械振動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在應(yīng)用中，用這種織物制造的衣服可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(cè)的可穿戴設(shè)備使用。

11月，浙江大學(xué)謝金教授、英國(guó)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(cè)。而在低頻刺激下（≈20kHz），該裝置可作為一個(gè)振動(dòng)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(cè)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(cè)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?cè)O(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(duì)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(dòng)光源產(chǎn)生亮度為9.8 cd·m-2的光信號(hào)。

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(duì)手掌的抓握狀態(tài)進(jìn)行視覺感測(cè)和力度反饋，比如當(dāng)手握住一個(gè)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(cè)出動(dòng)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(huì)有很大的應(yīng)用前景。

除此之外，中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的一個(gè)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(cè)量摩擦電輸出信號(hào)的變化來檢測(cè)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(shì)，令這種技術(shù)更加適合于可穿戴電子應(yīng)用。