【科學闢謠】用愛發電不靠譜,試試用尿發電吧

2021-01-08 澎湃新聞

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以下文章來源於科學闢謠平臺 ，作者林風

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日本科學家發明「尿電池」，可以放在尿不溼中驅動傳感器，從而實時監測其中的尿量，為醫患護理提供便利。

來源：Freepik.com

作者 | 林風

編輯 | 張昊 高佩雯

太陽光、照明光、機械振動、熱振動，甚至動植物的體液，都存在能夠被轉化的能量，只是這些能量通常非常微弱，難以為人所用。但基礎技術和製造工藝的進步，改變了這些閒散能量的應用前景。

日前，日本立命館大學的科學家，利用尿可作為電解質溶液的特性，開發出了能感知紙尿褲消耗程度的「尿電源」，以及與之匹配的尿量傳感器。該研究為病患護理問題提供了解決方案。

尿電源有望解決病患護理難題

科學家研究尿發電技術，顯然不是為了和尿泥。這項技術的應用場景非常明確，就是為了病患護理，並且已經進展到了產品測試階段。

嬰兒以及下肢癱瘓的人群，需要經常性地穿著紙尿褲，看護人員要定期關注紙尿褲是否應該更換，無形之中造成了一定的看護壓力和心理負擔。

如果將能夠感受排尿的傳感器嵌入紙尿褲，就可以及時通知看護人員更換紙尿褲，讓醫患雙方都獲得極大便利。

小便不能自理，對醫患雙方都是壓力 | instagram

類似的設想，其實並非什麼高科技，之前也有相關產品面世，具體形式五花八門。不過，無論採用何種傳感電路設計，都需要解決電力問題，沒有電源的傳感器顯然無法工作。

傳統的傳感器需要很大的驅動電壓才能工作，設計人員不得不用乾電池或紐扣電池去驅動它們，這和紙尿褲的設計初衷相悖：

從佩戴者的角度來說，新產品不應增加額外的負擔和不適感。從看護者的角度來說，則希望產品結構儘量簡單，使用儘量容易，特別是不希望有安裝、更換電池一類的繁瑣作業。此外，整個電路的成本必須足夠低，以滿足一次性的使用要求。

這樣一來，電路中就不應該出現傳統的驅動電源。那麼，誰來扮演電源的角色呢？研究人員想到了尿液本身。

尿電源如何發揮作用

尿中存在著多種離子，算得上是一種電解質溶液，這給用尿發電提供了可能。

研究人員在尿不溼內布置了片狀的活性炭陰極和鋁箔陽極，它們與尿一起構成了電池。然後是解決傳感器和電路的問題。

由於尿電池產生的能量僅在微瓦級別，研究人員需要精妙構思，才能利用如此微小的能量來驅動傳感器。最終，他們想到了利用微型電容來存儲微弱電量。當蓄積的能量足夠大時，電容就會自動放電，通過無線電路向外界釋放脈衝信號。

之後能量清零，等待下一次放電過程。

溼掉的尿不溼，可以變成電池 | 圖蟲創意

尿量較大時，尿電池可以為電容提供較為穩定的充電電壓，後者將不斷得到能量，從而不斷向外釋放脈衝。根據脈衝的釋放頻率，外部的信號接收系統將其與尿量對應，我們就能知道紙尿褲吸收的實時尿量。

印刷電子技術可將上述部件以非常低成本的方式布置到尿不溼中，最終產品的價格將能進入合理範圍。

除了尿，植物體液也可以用來發電

研究人員還實驗了多種環境發電技術，其中植物體液電池技術的難度，比尿電池還高了不少。

因為植物體液雖然也是電解質溶液，但與尿量相比，其分散性更高，相對某處的液量也就更低。前面提到的尿電源可提供微瓦級別的能量，而植物體液能提供的僅其百分之一。這使其更難驅動外界無線傳感電路。

不過，目前研究團隊已經成功製造出超低功耗的無線傳感電路，它們與植物體液電池配合後，能夠測量出植物體內的體液含量變化。

這對農業自動化意義重大。未來農業生產中，利用安置在某些植株上的體液傳感器，就能實時推算出農田的灌溉需求，實現智能生產。

植物體液電池，或可幫助實現智能生產 | 來自網絡

參考文獻：

1. An RF Distance Sensor Utilizing Harmonic Signal from Rectenna for Power-Controlled Wireless Power Transmission System to Wearable Devices 2020 IEEE International Conference on Consumer Electronics(ICCE)

https://edas.info/web/2020icce/papertitles.html

2. 2.45-GHz Wireless Power Transmitter with Dual-Polarization-Switching Cantenna for LED Accessories Wireless Power Week (WPW 2019) IEEE MTT-S Wireless Power Transfer Conference (WPTC)

https://www.wpw2019.org/downloads/WIRELESS_POWER_WEEK-DRAFT.pdf

文章由「科學闢謠平臺」（ID：Science_Facts）公眾號發布，轉載請註明出處。

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原標題：《【科學闢謠】用愛發電不靠譜，試試用尿發電吧》

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