智能手环实现充电自由了？这几项技术真能实现可穿戴电子设备能量的自给自足吗？

在21世纪的科技浪潮中，可穿戴电子设备正逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分。这些设备以其便携性、功能性和用户友好性，正在改变我们与数字世界的互动方式。

可穿戴设备的种类繁多，从简单的计步器到复杂的健康监测系统，每一种都有其特定的用途和功能。例如，智能手表不仅可以显示时间，还能监测心率、睡眠质量、步数和接收通知。健康监测器则可以实时跟踪血糖、血压和心电图等关键生理指标。虚拟现实眼镜则为用户带来沉浸式的体验，广泛应用于游戏、教育和训练模拟中。

图1 基于柔性电极材料开发的可穿戴电子设备 图片来源：《科普时报》

尽管可穿戴设备的便利性不言而喻，但它们仍然面临着能源供应的挑战。传统的电池不仅需要定期充电，而且存在寿命限制和环境问题。因此，研究人员正在探索如何使这些设备实现能源自给自足，例如通过太阳能、动能甚至人体热量来供电。

在这个背景下，热电可穿戴设备和指尖可穿戴微电网技术应运而生。热电可穿戴设备利用热电材料将人体热量转换为电能，而指尖微电网则通过生物燃料电池和可拉伸电池收集和储存能量，实现对可穿戴设备的持续供电。这些技术不仅提高了能源利用效率，还减少了对环境的影响。

热电可穿戴设备

热电可穿戴设备基于热电效应，即当热电材料的两端存在温差时，能够产生电压和电流。这些设备的关键优势在于它们能够利用人体自然产生的热量，如体热，来产生电能，从而减少对传统电池的依赖。

图2 用于自供电电子系统的可穿戴热电材料和器件 图片来源：《先进材料》

热电材料：这些设备的核心是热电材料，它们可以是无机半导体如碲化铋和碲化锑，也可以是有机聚合物。这些材料的热电优值决定了其转换效率，热电优值越高，转换效率越好。

柔性与舒适性：为了适应人体的不规则表面和动态运动，热电可穿戴设备需要具备良好的柔性和可拉伸性。这通常通过将热电材料与柔性基底材料（如聚合物）结合来实现。

设计创新：为了提高热电设备的功率输出，研究人员采用了多种设计策略，包括增加热电材料的表面积、优化热电材料的纳米结构、以及设计更高效的热管理系统来增强温度梯度。

指尖可穿戴微电网

图3 集成指尖可穿戴微电网的原理和设计

（a）指尖可穿戴微电网系统的示意图，包括生物燃料电池、氯化银-锌电池、柔性印刷电路板以及带有渗透汗液提取辅助纸流体系统的可穿戴传感器。生物燃料电池和氯化银-锌电池电池的组合构建为能源模块，包括两个串联的氯化银-锌电池电池，每个电池由两个串联的生物燃料电池充电。插图（红圈中）放大了与指尖接触的组件，包括四个生物燃料电池和一个中心渗透泵系统用于汗液提取：（i）主示意图，（ii）腹侧和（iii）背侧。（b）指尖安装的微电网工作原理的示意图，用于能量收集、能量存储以及电化学传感与无线数据传输和智能手机显示。指尖出汗提供生物燃料和生物标记物，分别用于被动能量收集和连续传感。微控制单元为四个传感器提供动力，生成的信号通过模数转换器转换为可读数据，并通过蓝牙低功耗传输，以供进一步分析。图片来源：《自然-电子》指尖可穿戴微电网是一种更为特定的可穿戴能源解决方案，它专注于利用指尖的高汗腺密度来收集生物能量。这种系统通常包括以下几个关键组件：

生物燃料电池：生物燃料电池利用指尖汗液中的化学物质（如乳酸）作为燃料，通过生物化学反应产生电能。这些电池的设计通常包括酶催化剂，以提高能量转换效率。

可拉伸电池：如氯化银-锌电池，它们可以储存生物燃料电池产生的电能。这些电池设计为可拉伸和柔性，以适应指尖的形状和运动。

微流体系统：为了有效地将汗液引导到传感器，指尖微电网通常包括一个微流体系统，如激光雕刻的微流体纸通道。这些通道利用毛细作用将汗液输送到传感器。

电化学传感器：这些传感器用于检测汗液中的特定化学物质，如葡萄糖、维生素C、乳酸等。它们将化学信号转换为电信号，供微控制器处理。

低功耗电子器件：指尖微电网包括低功耗的微控制器和无线传输模块，用于处理传感器信号并将数据无线传输到智能手机或其他设备。

热电可穿戴设备和指尖可穿戴微电网的未来发展将集中在提高能量转换效率、优化设备设计以增强用户体验、以及扩展其在健康监测、环境监测和人机交互等领域的应用。随着技术的成熟，这些设备有望在医疗保健、运动科学、军事和娱乐等多个领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和健康保障。

参考文献：

[1] Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring. Nat. Electron. (2024).

[2] Y. Jia, Q. Jiang, H. Sun, P. Liu, D. Hu, Y. Pei, W. Liu, X. Crispin, S. Fabiano, Y. Ma, Y. Cao, Wearable Thermoelectric Materials and Devices for Self-Powered Electronic Systems. Adv. Mater. 2021, 33, 2102990.

[3] Gong S, Lu Y, Yin J, et al. Materials-driven soft wearable bioelectronics for connected healthcare[J]. Chemical Reviews, 2024, 124(2): 455-553.

[4] 李传福. 柔软电极材料，让可穿戴电子设备不再僵硬[N].科普时报,2024-07-19（06）.

作者简介

李传福，中国科普作家协会会员，浙江省科普联合会会员，英国皇家化学会会员（MRSC），《科普时报》专栏作者。作品散见于《文摘报》《青少年科技创新报》《中国科技财富》《科普时报》《南方科技报》《安徽科技报》《陕西科技报》《山西科技报》等报刊，部分作品被学习强国、中国科普网和科普中国等平台发布转载。有作品入选甘肃省科普学会2023年度十大科普作品。