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医疗技术

体温转成电能 可穿戴设备再也不怕没电了!

来源:环球医学编写    时间:2017年10月10日    点击数:    5星

随着医疗技术的发展,越来越多的可穿戴设备问世,其中包括各种体征监测设备。这些设备正常运转需要一定的电能,而电池、充电等方式并非那样方便。近日,《the Journal of Applied Physics》上发表了一项美国科学家的研究,他们发明了一种用于可穿戴设备的热电发电机,可以直接从人体热量中获取能量,这些设备再也不用担心没有电了!

研究人员使用柔韧的导电聚合物和印刷在纸上的新型电路模式,为简单的生物传感器供电,用于测量心率、呼吸或其他情况。由于这些设备对称的分形布线模式,它们可以被切割成所需的大小,为特定的应用提供电压和电力需求。模块化发电机可以喷墨印刷在织物等柔性基板上,并使用廉价的卷轴式技术制造。

乔治亚理工大学Woodruff机械工程学院的Akanksha Menon博士说,热电发电机的吸引力在于人们周围到处有热量。如果能够利用这一点,廉价地把热量变成电力,那么其价值将是巨大的。

将热能直接转化为电力的热电发电机已经应用了数十年,但是标准设计使用的无机材料对于穿戴式设备来说毒性太大。功率输出取决于发电机两侧之间可以产生的温差,如果用于体热具有挑战性。从与皮肤接触的一小块面积中获得足够的热能更增加了挑战,除此之外,设备内部的电阻最终限制了输出功率。

为了克服这个问题,Menon和助理教授Shannon Yee的实验室合作设计了一个具有成千上万个点的装置,在一个紧密的布局里,它们由交替的p型和n型聚合物组成。由于喷墨打印机的包装密度较大,它们的模式可使每单位面积转换更多的热量。通过将聚合物紧密放置在一起,互连长度减小,这又降低了总电阻并且导致了装置更高功率输出。

文章的共同作者、乔治亚理工大学博士生Kiarash Gordiz说,代替传统的蛇形布线模式,研究人员使用基于空间填充曲线的布线模式连接聚合物点,如希尔伯特模式。其优势在于,它允许表面形态和自定位,从而在整个设备上提供更均匀的温度。

新的电路设计还具有另一个好处:它的分形对称设计允许模块沿对称区域之间的边界切割,以提供特定应用所需的电压和功率。这就减少了对电源转换器的需求,这些转换器会增加复杂性,并从设备中获取能量。Menon说,这在可穿戴设备的背景下是有价值的,这可能是一个非常有趣的方式来扩展可穿戴设备的热电使用。

到目前为止,这些设备已经可以印在普通纸上,但研究人员试图探索织物的使用。纸和织物都是柔韧的,但是织物可以很容易地集成到衣服中。Menon说,我们希望将设备整合到人们每天穿着的商业纺织品上,这样人们穿着舒服的面料,只靠身体的热量就能驱动一些东西。

研究人员期望获得足够的电力来为小型传感器供电,在微瓦至毫瓦范围内。这对于简单的心率传感器是足够的,但不是更复杂的设备,如健身跟踪器或智能手机。发电机也可用于补充电池,从而允许设备运行更长时间。未来的挑战是保护发电机免受潮,并确定它们离皮肤有多近时可传递热能,同时保持佩戴者的舒适度。

Yee说,这种聚合物材料有潜力成为低成本的热电材料。其他前景是制作反向过程的局部冷却装置,或使用电力将热能从装置的一侧移动到另一侧。Yee说,这会帮助冷却部分身体,在炎热的气候中感到舒适,从而减少空调的使用。

 

(环球医学编辑:石 岩)

 

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