和其他幾乎所有科技產(chǎn)品一樣，可穿戴設備需要能量。幸運的是，可穿戴設備的電量消耗不大，而且能量可以說無處不在。它存在于陽光和無線電波中，皮膚的汗液和體溫中，人體的運動和行走腳步中。如今，相關技術正在成熟，能夠獲取相當數(shù)量的這種免費能量，將可穿戴設備從電池中解放出來，這對許多公司和研究人員頗具吸引力。 “很多人都認為能量是理所當然的，只需將設備插到墻上的電源插座上，能量就會像空氣一樣自然存在。但我們確實需要生產(chǎn)能量。”與維納琴?米斯拉（Veena Misra）共同領導北卡羅萊納州立大學集成傳感器高級自供電系統(tǒng)與技術中心（ASSIST）的阿爾珀?博茲庫爾特（Alper Bozkurt）說。

當今最知名的可穿戴設備能量收集技術當然是太陽能，它可以從陽光或環(huán)境光照中提取電子。但太陽能只是序幕。研究人員發(fā)現(xiàn)，我們其實有很多以微瓦功率獲取能量的選擇，可以取代可穿戴設備中的電池。其中，壓電和摩擦發(fā)電機利用了機械應力和材料的靜電特性來發(fā)電。同時，眾所周知的電磁感應現(xiàn)象可收集碰撞、跳躍和跨步產(chǎn)生的微弱但有用的微小電流。

可穿戴設備雖然通常不需要太多電量，但必須易于佩戴。一個裝有一大塊太陽能電池板的背包在技術上是可行的，在現(xiàn)實中卻并不實用。比如，一個輕型人體健康傳感器對于想要追蹤野牛生活的生物學家毫無用處。

在最近的一系列能源收集研究中，需求和能源的多樣性是顯而易見的，包括一些集成多種形態(tài)的混合工作成果。

加州理工學院的高偉（Wei Gao，音）開發(fā)了一種自供電的“電子皮膚”。他說，電子皮膚是一種直接應用于皮膚的嵌入式傳感器設備，可讀取和傳遞心率、體溫、血糖和代謝副產(chǎn)物等健康指標。

“個性化醫(yī)療可以徹底改變傳統(tǒng)醫(yī)療實踐。”高偉說，“但要結合許多不同類型的傳感器，我們需要不同的材料設計和工具。其中最重要的考慮因素是儲能（和發(fā)電）。”

高偉的第一款電子皮膚生產(chǎn)于2020年4月，由柔軟且有彈性的橡膠制成，它利用了患者的汗水來為設備供電。該設備使用內置燃料電池，可吸收汗液中的乳酸并與大氣中的氧氣結合，從而生成水和丙酮酸鹽。通過這個過程，生物燃料可生產(chǎn)足夠支持電子皮膚傳感器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娔埽⒖蛇B續(xù)不斷地將電容器從1.5伏充電到3.8伏，持續(xù)充電約60小時。（在電容器中，電壓可理解為存儲的電子，電容器的電壓降低與其總電荷是成比例的。）

幾個月后，高偉和他的團隊開發(fā)了另一款電子皮膚，該裝置利用了運動產(chǎn)生的動能來產(chǎn)生摩擦電，產(chǎn)生的電流來自具有不同靜電特性材料的相對運動。這種二代電子皮膚將聚四氟乙烯、銅和聚酰亞胺薄片夾在一起，隨著人體的移動，薄片之間會產(chǎn)生滑動摩擦，最大功率可達0.94毫瓦。

接下來，該團隊轉向了3D打印。在2023年9月發(fā)表于《科學進展》的一項研究中，他們采用3D打印的方法，打印了被稱為e3皮膚（外流柔性電子皮膚）的多模式健康跟蹤系統(tǒng)的基本組件，包括物理傳感器、化學傳感器、微流體和超級電容器等。

該平臺使用了傳感器陣列、水凝膠涂層電極，以及由太陽能電池供電的微型超級電容器。高偉說，依靠3D打印的精度，研究人員可定制用于健康狀況早期預警和診斷的組件。

許多關于可穿戴技術的探討都集中在健康或其他人類需求上。但生物學家也在研究用于追蹤動物的能量收集技術，因為目前技術尚有不足，電池會在動物死亡之前耗盡。太陽能不適用于夜間活動的動物或低光照環(huán)境中的生物。收集傍晚慢跑能量的小型設備顯然不適用重達一噸的大型野牛。

這些挑戰(zhàn)激發(fā)了哥本哈根大學、丹麥技術大學和德國馬克斯?普朗克動物行為研究所的研究團隊制作更好的可穿戴設備大小的發(fā)電機，用于其研究目的：在理想情況下，跟蹤野生動物的一生。目前，對于大多數(shù)哺乳動物而言，使用電池和太陽能供電的設備均無法實現(xiàn)這一目標。

2023年5月在《公共科學圖書館?綜合》（PLoS One）上發(fā)表的研究中，他們詳細介紹了一種名為Kinefox的GPS跟蹤器，野生動物只需移動就可以給它充電。該團隊通過四只家犬、一匹埃克斯穆爾小馬和一頭歐洲野牛共三種動物測試了他們的設備。

該團隊的靈感來自從18世紀以來就存在的自動上弦手表，它可以將佩戴者的運動轉化為能量。因此，研究人員購買了一款用于可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設備的商用微型發(fā)電機，名為Kinetron MSG32，將其與一個鋰離子電容器和一個定制的GPS跟蹤器結合起來，該跟蹤器可以通過Sigfox低功耗無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

“我們想利用現(xiàn)有的設備和技術進行動物跟蹤，盡管它們并不是為了這一目的而設計的。”馬斯克?普朗克動物行為研究所的客座科學家特勒爾斯?格雷格森（Troels Gregersen）說。

研究人員的第一個版本將Kinefox安裝在動物現(xiàn)有的項圈和背帶上，以便觀察和研究。

不過，格雷格森說：“我們給野牛戴上的第一個項圈立刻被毀壞了。這些重達900公斤的動物會奔跑撞樹。人類可穿戴設備中沒有這種用例。”

根據(jù)第一個版本的結果，該團隊最后定制了一個跟蹤器和項圈。他們將基于自動手表機芯活動部件的微型發(fā)電機鐘擺粘在一個鐵磁環(huán)上，將該組合放在一個銅線圈周圍。隨著動物的運動，鐘擺來回擺動，鐵磁環(huán)在線圈中產(chǎn)生交流電，倍壓電路在轉換為直流電。

“在動物出生時，或者在讓它安靜一次的情況下，一次性地放置追蹤器是非常有價值。”格雷格森說，“如果它可以傳輸新的數(shù)據(jù)類型，或者比其他設備持續(xù)的時間更長，那么它就有應用空間、有價值。”

Kinefox是開源的，其文件發(fā)布在了GitHub上。德國馬克斯?普朗克動物行為研究所的研究人員表示，一般的野生動物跟蹤器的成本為3500至4000歐元，而Kinefox的材料成本約為270歐元。

未來甚至可能不需要自己動手設計。格雷格森說，該團隊正在與總部位于荷蘭蒂爾煲的Kinetron討論生產(chǎn)專門為動物設計的微型發(fā)電機，而不是自動上弦手表。

展望更廣闊的未來，一些研究人員專注于將獨特的材料集合起來，用更加可持續(xù)的材料制造能量收集系統(tǒng)。日本東北大學的一個研究小組最近采用壓電復合材料和碳纖維增強聚合物（CFRP）組合材料，開發(fā)了一種耐用、高效的能量收集器。

該小組使用碳纖維增強聚合物、鈮酸鈉鉀納米顆粒和環(huán)氧樹脂來制造設備。日本東北大學的研究生、該研究的合著者余耀南（Yaonan Yu，音）表示，該設備即使使用10萬次，仍然能存儲所產(chǎn)生的電力。

余耀南說，這種強度和能量生產(chǎn)相結合，可以用于多種類型的可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)應用，包括基礎設施系統(tǒng)，能夠在加固橋梁和高速公路中感知出現(xiàn)的裂縫、坑洞或其他損壞。

ASSIST中心的博茲庫爾特說，其最佳“甜蜜點”是通過數(shù)據(jù)分析，匹配能量收集能力與用戶真正需要的數(shù)據(jù)收集和傳輸。

“如果我以皮秒為單位來測量你的心跳，那會是一種浪費，因為心跳沒那么快。”他說，在一個項目中，“我們問醫(yī)生‘你需要多少數(shù)據(jù)？’他們說：‘我們不知道。我們每個月都會給病人看病，所以如果獲得的數(shù)據(jù)讀數(shù)多于每月一次的收集，那么就是一種進步。’這是某些人的觀點。”