智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 王健恩
编辑 | 高歌
智东西7月15日消息，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员发明了一种新型设备，戴在指尖上能够通过手指出汗或轻按手指来发电，一晚上可以产生400毫焦耳的电量，足以支持电子手表（非智能手表）工作24小时。
这个设备看起来像一条薄而有韧性的带子，可以像创可贴一样缠绕在指尖上，穿戴者哪怕什么都不干，仅仅是坐着不动都能有源源不断的能量产生，敲键盘、弹钢琴，甚至是玩手机也会变成能量的来源。
这项研究于7月13日以一篇论文的形式发表在Joule杂志上，题目为A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment。
论文链接：https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S2542-4351%2821%2900292-0
一、过去采集生物能过于低效，用指尖发电低投入高回报
过去十年间，可穿戴设备得到快速普及，但当前的穿戴设备主要依靠电池供电，能量和功率容量都有限，无法保证长期供电。因此，越来越多的科研人员将目光投向自供电可穿戴系统。
自供电可穿戴系统需要一种实用且高效的能量收集器来持续提供电力。然而，大多数生物能量采集器，是基于过度的身体运动而获取能量，这是非常不切实际和低效的，只有不到1%的能量可以被收集。
为了解决这个问题，加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员发明了一种装置，可以从指尖的汗液中获取能量，无需任何身体运动便可发电。
“我们设想这个设备可以用于任何需要‘触摸’的场景，这是人们工作、生活中都会做的事情，目标是让这款可穿戴设备自然地适合任何人。”纳米工程教授Joseph Wang说。
指尖是身体上最容易出汗的部位，每一个指尖上都挤满了上千个汗腺，产生的汗水比身体其他区域多100到1000倍。然而，指尖总是暴露在空气中，汗水一出来就会蒸发。
“我们要做的是把汗水收集起来，它们可以产生大量能量，但是这并不意味着所有以汗水为能量源的设备都能在指尖工作。”论文的共同第一作者、纳米工程博士生Lu Yin说。
“在指尖这样如此小的区域收集汗水并使其可用需要一些创新性的材料，研究人员必须处理好设备的不同部分，使其具有超强的吸水性，并能够有效地将汗水中的化学物质转化为电能。”Lu Yin解释道。
▲使指尖产生电能的贴片
二、让汗液中乳酸与氧起化学反应而发电
这种设备可以戴在指尖上，将手指变成小型电子设备和传感器的电源。这种设备的特别之处在于以汗液为能量，并且佩戴者无需进行任何动作就能发电。
使用时你仅需将这个条带状的设备缠绕于指尖上。当指尖出汗时，条带上的碳泡沫电极垫能够吸收汗水，而电极中的酶能触发汗液中的乳酸分子和氧分子间的化学反应，从而产生电能。
另外电极下方是一个由压电材料制成的芯片，按下时同样会产生电能。当佩戴者出汗或按压条带时，电能会储存在一个小型的电容器中，并在需要时释放到其他设备。
▲基于触摸的生物燃料电池和生物能量收集系统的操作示意图
Lu Yin说：“这种设备是同类设备中的首创，与其他汗水驱动的可穿戴设备不同，这款可穿戴设备不需要锻炼，也不需要佩戴者的身体投入就能发挥作用。这项工作可以让可穿戴设备变得更实用、更方便、更容易被普通人接受。”
研究人员让受试者将这个设备戴在一个指尖上，随后受试者随意打字和点击鼠标，一个小时收集了近30毫焦耳能量。之后又让受试者睡觉，10个小时的睡眠中收集了近400毫焦耳的能量，这足以为电子手表供电24小时。
“这只是一个指尖，如果将设备绑在其余十个指尖上，将产生10倍的能量。”研究人员称。
“当你使用其他通过锻炼收集能量的设备时，比如跑步，你投入数百焦耳的能量只能让设备产生几毫焦耳的能量，这种情况下你的能量投资回报非常低。而有了这个设备，你几乎不用专门为此投入任何能量就能得到回报。”Lu Yin说道。
三、指尖发电要继续改进，将为低功率设备供电
不过，尽管这个设备实现了指尖发电，但是还远没有到我们丢掉充电器和电源线的时候。
研究人员提到，该设备或将实现为在毫瓦范围内运行的低功率电子设备（如手表）供电，尚不适合为智能手机等高性能电子设备持续供电。
该研究团队的目标是让这个设备变成一种实用设备，而不仅仅是证明有另一种可以产生少量能量的东西。他们希望最终可以利用这些能量为传感器、显示器等电子设备来供电。
为此，他们正在对这个设备进行进一步地改进，使其更加高效耐用。未来他们将研究把这个设备与其他类型的能量收集器相结合，以创建新一代自供电可穿戴系统。
结语：实用性仍待提高，抛开充电器仍是幻想
现在我们能接触到的所有可穿戴设备如智能手环、无线耳机、智能眼镜等都离不开各种充电设备，我们往往会在各种充电器和缠绕在一起的电源线中间忙的焦头烂额。
用人体产生的生物能来发电，并给我们的可穿戴设备充电，好让我们扔掉各种复杂的充电器，这是多么奇妙的一个幻想。而如今加州大学的研究人员让这个幻想有了实现的可能。
不过指尖发电的效率、耐用性、实用性等方面仍有很多问题要解决，要实现这个奇妙的幻想还有很长的路要走。
来源：Joule、Tech Xplore
