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你的身体就是发电机
抛弃电池 迈向能量采集

【作者: 丁于珊】2014年12月05日 星期五

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穿戴式装置发展至目前为止,

电池续航力一直是每家厂商面临的最大也急欲解决的问题之一,

若能够让人体自行产生发电,自给自足,

不仅环保,也让穿戴式装置有更多的应用。

不管是智慧手表、智慧眼镜或者其他的穿戴产品,例如苹果日前推出的iWatch一再推迟上市日期,市场有一说就是因为电池续航力「令人失望」。


穿戴式装置要如何提供足够的电池续航力,却又不会因电池过大而造成设备过于笨重是目前厂商都在思考的问题。然而电池容量的成长与消费者用电需求成反比,在电池容量没有太多进展的情况下,如何供电成为最大的挑战。


各家厂商也都想办法研发更简便的充电技术,如无线充电;然而最理想的方案就是用户不再需要为穿戴式装置充电,例如透过能源采集技术将身边的能量如光、热或者动能直接转换为电力,为装置供电。


图一 : 能量采集并不是新的技术,当来到穿戴式装置,研发人员正努力将此技术与衣服、裤子或鞋子等结合,藉此收集人们日常活动产生的能量。
图一 : 能量采集并不是新的技术,当来到穿戴式装置,研发人员正努力将此技术与衣服、裤子或鞋子等结合,藉此收集人们日常活动产生的能量。

在加州一场Hot Chips会议里的研究人员表示,随着消费性电子设备变得越来越小,传统电池已经无法完全满足电力需求,因此最重要的是要开始采用新的能源采集技术来让设备能够长时间的运作,而​​不至于面临电力不足的情况​​。


动一动 装置更来电

低功耗穿戴式装置很可能即将要迈入告别电池的时代了。


德州仪器先进设计工程师Yogesh Ramadass指出,电子技术虽然不断地在进步,然而当穿戴式装置的晶片在性能及功耗上都已经达到一个临界点之后,接下来的发展关键将会是如何更方便地替换电池,或是透过周遭环境的能源来取代电池。



图二 : 美国NASA为穿戴式装置研发出能源采集系统,并将其放入衬衫当中,可以将人体热能转换为电力。
图二 : 美国NASA为穿戴式装置研发出能源采集系统,并将其放入衬衫当中,可以将人体热能转换为电力。

图三
图三

因此,许多科技大厂或研究人员已研发出将人体热量、动作或环境产生的各种能源转换为电力的方式。因转换效率仍不高,所收集到电力还很微小,但对小型的感测器来说,这些能源也够自给自足了。而随着技术的进步,提高能源转换效率,依靠人体发电取代传统电池,让穿戴式装置长时间运行,或许不再是梦想。



图四 : 膝上能量采集器,这是一种生物力学的能量采集,透过传感器侦测膝关节的运动状态,当膝关节角度移动至能量最大的时候采集能量。
图四 : 膝上能量采集器,这是一种生物力学的能量采集,透过传感器侦测膝关节的运动状态,当膝关节角度移动至能量最大的时候采集能量。

事实上,采用能量采集技术供电的穿戴式装置并不是近日才发生的事,过去已有自动手表透过手臂挥动的动能发电来维持装置运作的案例,手表大厂Seiko甚至早在1971年就曾经提出以人体来发电的相关专利申请,尽管后来被证明难以实现,但是在1983年Seiko一位研究人员Yoshino Masahito带领的研究团队在三年后成功研发出一款人体电能手表,并在1988推出Kinetic系列的人体电能系列手表。其不仅降低功耗,只需一般石英表所需能量的3%,更在手表内加装了发电机和储能系统,让手表可藉由手腕运动产生的能量自行发电,不必再更换电池。



图五 : SEIKO将一个微型发电器放置手表中,当KINETIC机芯感测到配戴者手臂挥动所产生的能量时,将其放大储存、最终用于驱动计时装置。(图片来源:SEIKO)
图五 : SEIKO将一个微型发电器放置手表中,当KINETIC机芯感测到配戴者手臂挥动所产生的能量时,将其放大储存、最终用于驱动计时装置。(图片来源:SEIKO)

英国贸易和工业部(Department of Trade and Industry, UK)也在2006年启动一项计画- 体内微型发电机投资计画,并投下百万英镑的资金,希望能在体内建置微型发电机,透过物体移动的惯性动能产生电力,为植入体内的感测器或者心律调节器供电。


Yogesh Ramadass表示,人体的热量、运动或者周遭的环境光都能够转变为电力,提供给医疗植入物如监测感测器或者一次性医疗物品等。不过可惜的是,英国贸易和工业部的这项计画后来也宣告失败,原因是此方法只能有微小的电力,若要有更高功率的供电,装置体积则会因过大而没办法置入人体内。


除了透过动能之外,利用人体自生的发电方式还包含体温、葡萄糖等,例如美国的Thermo Life Energy、Biophan等都是利用体温的温差来产生微小的电力,用以驱动心律调节器或者植入体内的微型医疗感测器。


Yogesh Ramadass表示,部分的穿戴式装置(如医疗感测器)能够透过热电电池来提供电力。他进一步解释,热电电池是透过人体体热与环境或者人体体温冷热变化的温差,将其转换为电力,此电池约能够产生30~40微瓦的功率,与太阳能电池大约相同。


身体就是一座能量厂

不过,想要透过能源采集来保持装置不需要电池也能不断运行,并不是件容易的事情,日前在Kickstarter被下架的iFind就证明了这件事情。 iFind宣称只要依赖电磁能就可以让装置维持运作,后来却因无法证实此产品可以顺利量产而被下架。


然而,撇去iFind是否能够量产的因素不看,这一类型能源采集的方式所产生的微弱电力大多只能使用在功耗需求较低的装置当中,对于极度依赖感测器、计算系统以及通讯等功能较为复杂穿戴式装置而言,实用上仍有一段距离。若要生产足够的电力,除了采集能源的装置可能过大之外,太阳能、动能、热电转换、压电采集等能源转换方案的效率也是关键问题。


太阳能采集

太阳能电池目前大多使用在屋顶或发电厂等大型设施上,不过随着技术进步,将很快可以看到小型化的太阳能面板被应用于穿戴式装置上,且提供足够的电力需求。


事实上,不需电池的太阳能手表已经存在多年,日前加拿大科技公司Energy Bionics即推出一款太阳能手表,不仅可以自给自足,甚至还能为手机或其他设备充电。


这款手表的电力系统由太阳能电池、能量储存系统和充电系统所组成,Energy Bionics特别针对单晶矽太阳能电池进行客制设计,并增加其太阳能板的光谱灵敏度,可接受300-1100nm的范围。这种太阳能电池可适用于典型的室内办公室照明环境及室外自然光采集,而手表表面的时间刻度则直接印刷在太阳能电池的表面上。



图六 : Energy Bionics即推出一款太阳能手表,不仅可以自给自足,甚至还能为手机或其他设备充电。(图片来源:Kickstarter)
图六 : Energy Bionics即推出一款太阳能手表,不仅可以自给自足,甚至还能为手机或其他设备充电。(图片来源:Kickstarter)

图七
图七

Energy Bionics表示,这款手表的电力能够提供手机或其他设备约三小时的电力需求,这三小时包含上网、拍照等。而Energy Bionics今年在Kickstarer上提出这款手表的集资计画,最后成功募集到42,481美元(目标为15,000美元)的资金。


相较于其他能量采集技术,太阳能电池已属较为成熟的技术,不过仍有其瓶颈须克服,其中一个问题是,太阳能电池必须不断处于光照环境下才能持续发电,若装置被遮蔽例如被衣秀遮盖则无法发电。不过这也促使更多应用的出现,如结合太阳能板与智慧纺织,或将软性电池直接放入纺织物中就是一个不错的方案。


此外,传统的太阳能电池设计是吸收太阳光,因阳光强度远高过于室内照明的光源,但是考虑穿戴式装置可能长时间处于室内,因此一些针对室内光源采集的新材料也不断被研发出来,借此提高穿戴式装置的采集效率,Energy Bionics的太阳能表就是一例。


热电采集

热电采集是由温差产生电压的直接转换,其使用一种称为塞贝克效应(Seebeck effect)的物理原理,另外也包含两种效应,分别为帕尔帖效应(Peltier effect),和汤姆森效应( Thomson effect)。其原理简单来说就是利用两种不同金属介面组成的特制半导体元件(称为帕尔帖元件)来发电,当两种不同的介面产生温差时,即会产生电流。


对穿戴式装置来说,人体体温可视为热的一端,而周遭环境则属于冷的一端,如此就能形成热电采集所需的温差环境,而产生能量的多寡则取决于温差大小值。由于帕尔帖元件可以收集较多的能量,因此对于电力需求较高的穿戴式装置来说,是较具发展潜力的能量采集技术。此外,热电采集另一优势是只要装置紧贴皮肤,无论室内或室外、白天或黑夜,能源都可以源源不绝。


压电采集

压电采集的方式是将振动或冲击的机械能转换为电能,在压电效应的关系下,当压电元件由机械力学操纵时就会产生微弱的电流。对于穿戴式装置而言,压电元件的设计通常是透过走路、呼吸、手腕移动等方式的振动来产生电力。


不过由于压电能量采集技术所生产的能量极微小,因此限制了其应用发展,仅能针对超低功耗设备,同时也必须将装置放在不断振动的身体部位上,以确保电力不中断。例如美国伊利诺材料科学与工程学系的教授John A.Rogers和其研发团队开发了将心脏、肺和横膈膜的振动转换为电力的装置。



图八 : John A.Rogers的研发团队已将研发的压电能量采集装置用于牛、羊、猪的心脏测试。
图八 : John A.Rogers的研发团队已将研发的压电能量采集装置用于牛、羊、猪的心脏测试。

John A.Rogers使用一种软性且可相容于生物体内,名为锆钛酸铅(PZT)的压电材料,透过并连及串连的方式组成一组元件,他表示,心脏是人体非常适合作为压电采集的地方,因为它不断地在跳动,不过这也充满挑战,因为必须确保此装置不会影响心脏的跳动,且不会导致各种不良反应。


此外,科学家对聚合物压电纤维投入更多的研发,此材料具备弹性、结实、透气性佳,并且可整合到纺织品,对于健康监测类的智慧衣物或其他相关应用产品将会有很大的发展潜力。研究小组目前已将此装置用于牛、羊、猪的心脏、横膈膜和肺测试,测试结果可产生最大电力0.18μW/cm2,并在同时使用五个装置时得到1.2μW/cm2的电力,John A.Rogers表示,此装置产生的电力已足够驱动一个人的心律调节器。



图九 : 常见的走路发电也是压电采集的一种。
图九 : 常见的走路发电也是压电采集的一种。

结论

想要让穿戴式装置或生活周遭各种设备都不再需要电池,而可以完全依赖能量采集技术来自己自足,以现有的技术来看,仍有很大的进步空间。除了能量采集之外,能量的储存也是一大议题,目前以超级电容和石墨烯较具发展潜力。


展望未来,随着技术不断进步,将设备变得更小、功耗更低,能量采集将会成为产品供电设计上的首选。


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