能量敷料:由人體熱量驅動的傳感器

2021-03-06 MEMS

一種可拉伸並實現自我修復的材料利用人體的熱量進行發電，可以為可穿戴電子設備持續供電。研究人員精心地結合了三種有機化合物，開發出一種既可以拉伸又可以自我修復的熱電材料原型。該材料可以實現自發電，其堅固度足夠承受來自日常生活的壓力和應力。

佩戴在皮膚上或作為植入物的傳感器正變得日趨流行，以收集個人醫療生物數據。傳感器可以監測人類健康的重要標誌，如心率、血壓、大腦活動、肌肉運動、卡路裡燃燒和某些化學物質的釋放。最終目標是自供電可穿戴技術，但是這些技術需要可靠且持久的電源。

佩戴在皮膚上的傳感器很快就可以靠人體熱量提供電能

熱電材料利用溫度梯度現象來實現發電。它們有望利用人體熱量為可穿戴設備供電，從而消除對電池的需求，但是當前的熱電材料缺乏靈活性、強度和彈性，無法避免永久性損壞。

據麥姆斯諮詢報導，由來自阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的Derya Baran和Seyoung Kee所帶領的研究團隊最近在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）雜誌上發表了一項研究。在該研究中，他們混合了高導電性熱電聚合物PETOT:PSS（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸）、二甲基亞碸（一種能夠增強PETOT:PSS性能的有機化合物）和Triton X-100（一種粘性凝膠狀試劑，可促進與PETOT:PSS進行氫鍵鍵合）。

Kee表示，「最終材料成份對提供我們所需的彈性和自我修復特性至關重要。」

研究人員使用3D印表機將其混合物摻入厚薄膜中，然後在壓力下測試這些薄膜的熱電性能。首先，他們發現薄膜兩側之間的溫差為32攝氏度，產生的最大功率輸出為12.2納瓦（nw）。

隨後，該團隊用刀片將薄膜切成兩半，以測試薄膜的自我修復能力，同時為LED燈進行供電。

Kee指出，「令人驚訝的是，在切割過程中或切割後，LED燈的燈光都沒有熄滅，我重複進行了10次切割活動，但是它在不到1秒鐘內就能自我修復，輸出功率為初始值的85%。」

此外，當研究人員將薄膜拉伸至比原始尺寸長三分之一左右時，它仍然可以穩定供電。

Kee強調道，「穿戴式電子設備在持續壓力下，其電源很容易斷開，我們的材料可以提供持續且可靠的動力，因為它可以變形、拉伸，最為重要的是具備自我修復能力。」

除了高效的生物傳感器和發射器，12納瓦不足以驅動多種設備，但這是一個充滿希望的開端。

Kee補充道，「我們已經證明，使用3D列印可以輕鬆製備此類材料，這是一種非常流行且實用的技術。下一步，我們將尋找具有更好熱電性能的材料，以便在不久的將來可以產生更大的功率。」

論文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.201905426

延伸閱讀：

《醫療可穿戴設備市場與技術趨勢-2019版》

《電子皮膚貼片技術及市場趨勢-2019版》

《生物MEMS和非侵入式傳感器-2018版》

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