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科学家开发佩戴在指尖的类似创可贴的设备 可在用户睡觉时产生能量

科学 | 感谢投递 2021-07-14 269

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在我们多年来关注的许多由汗水驱动的可穿戴传感器和设备中,加州大学圣迭戈分校的团队已经提出了不少有希望的例子。早在2014年,科学家们就展示了一个临时“纹身”,作为汗水供电的生物电池,去年他们展示了一个由类似手段供电的可穿戴维生素C传感器。最近,该团队开发了一种智能衬衫,通过汗水和运动产生电力。

新披露的可穿戴设备被描述为同类产品中的第一个,因为它甚至可以在用户睡觉或坐着不动的时候产生能量。这可能为可穿戴设备领域带来一些非常有趣的可能性,因为该设备有可能在任何地方、任何时间充当一个电源。

研究共同第一作者Lu Yin说:“与其他汗水驱动的可穿戴设备不同,这个设备不需要运动,不需要穿戴者的物理输入,就能发挥作用。这项工作是朝着使可穿戴设备对普通人来说更实用、更方便和更容易获得的方向迈出的一步。”

在开发这种新型可穿戴设备时,该团队不得不创造性地将既能吸收汗水又能将其转化为能量的部件组合在一起。薄薄的创可贴一样的条状物由碳泡沫电极组成,它吸收汗液并利用嵌入的酶来触发其中的乳酸和氧分子之间的化学反应,这反过来又产生了电能,并储存在一个小电容器中。

该设备安装在指尖上,利用了每个指尖上的一千多个汗腺,这些汗腺产生的汗水是身体其他大部分部位的100到1000倍。因此,作者将指尖描述为24小时的“汗水工厂”。

“我们在身体其他部位感觉出汗较多的原因是那些地方通风不好,”研究人员说。“相比之下,指尖总是暴露在空气中,因此汗水在流出时就会蒸发。因此,我们不是让它蒸发,而是用我们的设备来收集这些汗水,它可以产生大量的能量。”

虽然该设备以这种方式产生了大部分电能,但它并不只有一种用途。在其电极下面,该设备还采用了压电材料,可在压力下产生额外的电力。这意味着像打字、发短信或弹钢琴这样的活动也能导致能量的增加。

在一项实验中,受试者在10个小时的睡眠期间将该设备戴在一个指尖上,产生了近400毫焦耳的能量,科学家说这足以为一块电子表提供24小时的能量。一个小时的 "随意 "打字和点击鼠标使该设备产生了近30毫焦耳。

"将这与一个在你运动时收集能量的设备相比较,"Yin解释说。"当你在跑步时,你投入了数百焦耳的能量,但设备却产生了毫焦耳的能量。在这种情况下,你的能源投资回报率非常低。但有了这个设备,你的回报就非常高。当你在睡觉时,你没有投入任何工作。即使只按一下手指,你也只投资了大约半毫焦耳。"

在单独的实验中,该团队使用他们的新型能量收集器为化学传感器和显示器供电,包括前面提到的之前开发的维生素C传感器。他们现在正在努力改进该设备,使其既高效又耐用,并希望将其与其他能量收集器结合起来,形成新型的自供电可穿戴设备。


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