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。這類設備需要為數據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。傳統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。

據麥姆斯咨詢報道，近日，丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室、西南大學 、北京理工大學、上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院上海市創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（EMS）的可穿戴熱電發電機（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”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

與之前的研究不同，該團隊的創新之處在于使熱電發電機能夠在人體皮膚和周圍環境間很小的溫差下（即4?K）持續工作，確保在短至1.6s的時間內可靠地傳輸數據?。此外，該新系統可以在超低電壓（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、可靠地監測提供了新途徑。該研究的主要貢獻如下：（1）創新的能量管理系統：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電機的不一致輸出，實現了器件在較低溫差下的運行，顯著提高了可用性。（2）系統集成和通用性：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，提高了柔性熱電發電機的歸一化功率密度，提高了能量轉換能力。該系統設計為從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測系統的部署。

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測手環（圖1a）。該手環集成了柔性熱電發電機（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選熱電材料。三碲化二鉍（Bi2Te3）熱電顆粒被選為柔性熱電發電機的基本構建塊，以創建皮膚和環境之間的溫差來發電。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，以實現柔性熱電發電機的電連接（圖1c）。

圖1 集成柔性熱電發電機和能量管理系統的自供電可穿戴手環

傳感器實時采集皮膚溫度數據，并通過藍牙鏈路無線傳輸至新開發的健康監測移動應用終端，實現人體溫度實時監測（圖1e）。柔性電路使用聚酰亞胺膜作為襯底，從而實現柔性熱電發電機、能量管理系統、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的健康監測手環與發電機的發電性能相匹配，因此柔性熱電發電機可以在較低的溫差下穩定工作，克服了傳統可穿戴設備對電池維護的限制。

目前的柔性熱電發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電機不同撓度下電極數量與總電極數量的比值（圖2a、b）。傳統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，傳統的電極排布在彎曲狀態下受到更大的應力，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，應根據使用條件進行應力分析，使器件能夠在低應力狀態下工作，提高器件的耐久性。

圖2 柔性熱電發電機的設計與仿真

隨著柔性熱電發電機包括后端能量管理系統、數據采集和無線傳輸電子器件的完整和靈活集成，研究人員開發了一種適用于人類健康監測的柔性手環（圖3a）。柔性熱電發電機的功能基于人體皮膚和周圍環境之間的溫差，其輸出電流和電壓隨著溫度梯度增大而增加（圖3b）。在正常狀態下，當溫差為2?K時，柔性熱電發電機提供89 mV的穩定輸出電壓?，電流為3?mA，該如此小的溫差下，實現了可靠的供電。柔性熱電發電機輸出極性連接到能量管理系統。無論柔性熱電發電機輸出電壓的極性是正極還是負極，能量管理系統都能正常工作，解決了柔性熱電發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的柔性熱電發電機就可良好運轉）。

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電機的溫度分布的均勻性。研究人員通過調節水浴和冷凝液溫度來調節熱端和冷端之間的溫差。

研究人員通過改變溫差，在平面和彎曲狀態下對柔性熱電發電機進行了熱電性能測試（圖4b為平面狀態下的數據，圖4c為彎曲狀態下的數據）。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和彎曲狀態下的內阻數據，觀察到當溫差超過5?K時，柔性熱電發電機在平面狀態下的內阻約為15Ω?；然而，當手環被穿戴處于彎曲狀態下時，內阻增加到約60Ω，因此，與未彎曲的狀態相比，柔性熱電發電機在彎曲狀態下的輸出功率降低到約五分之一。

圖4 柔性熱電發電機平面和彎曲狀態下的性能測試

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測可穿戴設備，該設備集成了柔性熱電發電機和能量管理電子器件。柔性熱電發電機捕獲人體熱能并將其轉換為電能，為柔性熱電發電機量身定制的能量管理系統可以實現高效的能量管理，為后端傳感器和無線傳輸模塊供電，實現穩定的人體溫度實時監測。此外，研究人員從應力流的角度對柔性熱電發電機電極排布進行了深入分析，并引入了低應力電極排布。與傳統的π型結構相比，在穿戴狀態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，新開發的柔性熱電發電機和能量管理系統可以在正常和穿戴狀態下，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電機和能量管理系統能夠為物聯網（IoT）的“自我意識”場景提供可靠、不間斷的健康狀態監測，為更可靠、更環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，以用于實時健康監測。

審核編輯：劉清