2021年08月06日 | 什么样的能量收集系统更适合可穿戴类应用？

一些可穿戴设备制造商不认为能量收集（任何形式）是有意义的设计。为了追求自供电的可穿戴设备，电子开发人员正在寻求改变如今这种状况。

今年早些时候，瑞士智能手表制造商 SEQUENT 发布了一款使用“专利自主微机械运动技术”的完全自供电智能手表，实际上寻求抛弃依赖充电器的可穿戴设备的不仅仅是 SEQUENT。

SEQUENT 将其智能手表的使用寿命与市场上其他常见的可穿戴设备进行了比较。图片由 SEQUENT 提供

近年来，工程师在为可穿戴设备供电方面变得富有创造力，为可持续和自供电设备创新了新方法。然而，能量收集带来的一个首要问题是能源投资回报率 (EROI) 低。 EROI 的概念（由系统生态学家 Charles A.S. Hall 在 1980 年代引入）是 EE 所熟悉的概念：能源只有在您获得的能量大于投入的能量时才有用。

在可穿戴设备的背景下，EROI 特别提到了收集到的能量与投入到收集器中的能量之间的比率。毫无疑问，研究人员正在追求用于自充电可穿戴设备的高 EROI 采集器——许多人已经转向人类和环境能源。

能量收集器——以及 EROI 的探讨

市场上有大量的能量收集方法：太阳能、射频、热能、机械和化学等。这些方法中的每一种都有利有弊，尤其是在能源投资回报方面。以下是每种收割技术的简要概述，以及可能支持未来 EROI 进步的研究。

太阳能收集器

EROI 可穿戴设备最具吸引力的选择之一是太阳能收集器。当超过某个能量阈值的光照射到选定材料的表面时，先前与该材料结合的电子就会被释放。这个过程称为光电效应，是太阳能发电的基础。

光伏可用于为可穿戴设备供电，因为它们不会消耗太多电流并且在相当低的电压水平下运行。太阳能的主要缺点是无法在室内、夜间或阴天运行——这个问题通常通过将这项技术与电池或超级电容器配对来解决。

最近，澳大利亚国立大学的科学家发现，超薄二维材料可以通过“扭曲”材料两层之间的角度将阳光转化为电能。

据说这种材料比人的头发薄数百倍。图片由澳大利亚国立大学和 PV 杂志提供

通过进一步的研究，科学家们相信，当这种材料涂在物体表面时，可以让设备为自己供电——从手机屏幕到挡风玻璃。

射频能量收集器

射频能量收集器使用专门调谐的天线将无线电和微波频段内的信号转换为电能。

与我们的手机、计算机和其他电子设备之间的每种类型的数据传输都使用某种属于无线电频谱的信号。然而，由于来源的接近和范围，可以从随机来源收集的能量极低。为了正确地为设备供电，发射器需要有针对性、靠近或非常大的无线电。

苏黎世联邦理工学院的研究人员认为，收集到的射频能量不足以为可穿戴设备中的单个组件供电，如下图所示。

可穿戴设备中特定组件的典型电流要求。图片由苏黎世联邦理工学院和 Research Gate 提供

然而，并非所有研究人员都同意以上看法。例如，以色列初创公司 Wiliot 最近因筹集 2 亿美元创建射频能量收集传感器而成为头条新闻。Wiliot 的传感器包含一个低功耗蓝牙 Arm MCU，据说可以从周围的 RF 信号中汲取能量。这款 1 MHz Cortex-M0+ 芯片具有温度、接近度和湿度传感器，以及 1 Mbits 的 NVM 和一个自电源管理单元。

热能收集器

热电设备通过半导体换能器将热量——或者更准确地说，温差——直接转化为电能。可穿戴设计人员经常利用热电效应为小型可穿戴设备供电，因为人体有效地充当了持续的热源。

但一些科学家正在寻找来自烤箱和工厂烟囱等机器的多余热量来获取热能。科罗拉多大学博尔德分校的研究人员最近设计了一种解决方案，可以使用整流天线从环境中吸收热量。这些设备的工作原理类似于汽车天线，不同之处在于整流天线不是将无线电波转换为声音，而是捕获光和热并将其转化为能量。

CU Boulder 开发的“整流天线”的图像。图片由 CU Boulder Today 提供

虽然常规天线需要电子穿过绝缘体来收集能量，但研究人员的设备使用两个绝缘体来形成所谓的“共振隧穿”，这是一种电子以恰到好处的能量撞击量子阱以穿过两个绝缘体的过程。

研究人员希望这种所谓的突破最终可以大规模使用——甚至可以捕获从地球辐射到外太空的能量。

机械能量收集器

研究人员探索了多种将机械能转化为电能的方法。对于可穿戴设备，压电是一种被广泛研究的能量收集方法。这种方法使用压电元件，当对它们施加一定的机械应力时，压电元件可以积累电荷。

这些元素可以嵌入鞋子等衣服或安装在心脏周边等器官上，通过不同类型的肌肉运动不断进行自供电，这些运动的范围从随意运动到无所事事的人体功能。

最近，印度科学家创造了压电分子晶体，可在机械冲击下产生能量。

压电分子晶体实现自我修复。图片由《印度斯坦时报》提供

使用这些晶体，研究人员已经找到了一种方法，让损坏的组件在裂纹连接处产生电荷。当受损部件相互吸引时，该设备可以在断裂点自主修复自身。

研究人员解释说：“该材料可能会应用于高端微芯片、高精度机械传感器、执行器、微型机器人等。对此类材料的进一步研究可能最终实现智能小工具的自我修复裂缝或划痕功能的开发。”

化学能量收集器

化学能转化为电能最常与电池相关。这是因为电池是由具有特殊化学特性的材料制成的，这些材料使它们能够保持和释放电流。

一些研究人员正在开发所谓的生物燃料电池，以利用人类的汗水发电。该技术释放电能代替内部电池化学物质。通过将可穿戴设备的电路直接连接到人体皮肤，这种化学过程可以让可穿戴设备不断地从用户那里获取能量并独立地为自己供电。

由生物燃料电池自供电的设备示意图。图片由Joule提供

在睡眠期间收集数百 mJ 的能量，这种类似创可贴的设备被证明比其他皮肤收集器更有效。研究人员还在生物燃料电池下方集成了压电发电机，以在用户将手指压在上面时获得额外的机械能。该研究提出，这种能量收集可穿戴设备可能有助于为电致变色显示器和传感器供电，提供“非常高的能量投资回报”。

自供电可穿戴设备的工程挑战

在短短几年内，从智能手表和智能眼镜到健身追踪器和医疗监视器的可穿戴设备已成为许多人生活中不可或缺的一部分。

随着对嵌入式能量收集的持续研究，这些设备有可能有一天会完全自供电。虽然许多嵌入式设计人员历来专注于低功耗处理器、传感器和显示器，但高EROI的能量收集器可能是最后一块拼图。

为了最大限度地提高 EROI，工程师很可能会继续结合这些能量收集方法；在单一活动中使用多个来源可能是开发可持续和自供电系统的关键。