作者:Joseph Wang 来源:《焦耳》 发布时间:2021/7/21 10:40:50
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睡觉时,这款设备能从你出汗的指尖获取能量

 

夏天的热浪让你汗流浃背?别担心,不是所有的汗水都白费了。

7月13日,在细胞出版社(Cell Press)旗下期刊Joule发表的一篇论文中,研究人员宣布开发出一种新设备,可以从人体指尖的汗液中获取能量。该设备是迄今为止最有效的身体能量收集器之一,在没有任何机械能量输入的情况下,在10小时的睡眠中,每平方厘米皮肤可以产生300兆焦耳(mJ)能量。而且单次按压一根手指就可以产生额外的30mJ能量。作者表示,该设备向自我可持续的可穿戴电子设备迈出了重要一步。

“通常情况下,人们希望能源投资获得最大回报。你不希望通过锻炼消耗大量能量而只获得一点点能量收益。”美国加州大学圣迭戈分校纳米工程教授、论文通讯作者Joseph Wang说,“我们想创造一种适应日常活动的设备,它几乎不需要能源投资——你可以完全忘记这个设备,自如地睡觉或打字,但它仍然继续产生能量。你可以称之为‘无所事事获得能量’。”

之前以汗液为基础的能源设备需要人们进行高强度的运动,比如大量跑步或骑自行车运动,以便出汗量足以发电。但在运动过程中消耗的能量可以轻易抵消产生的能量,以致能源投资回报率不到1%。

相比之下,该新设备属于作者所称的能量收获器“圣杯”。它不需要依赖阳光或运动等外部不规则能量来源,只需要手指接触就能在睡眠时收集超过300mJ的能量——研究人员称这足以为一些小型可穿戴电子产品供电。由于不需要运动,能量收获和投入比本质上是无限的。

听上去,选择指尖排汗似乎有些奇怪,但事实上,指尖的汗腺密度比身体其他部位的更高。

“手指产生更多的汗液可能是为了帮助我们更好地抓东西。”论文共同第一作者、Joseph Wang实验室纳米工程博士生尹路(音)说。“手指的出汗率可以达到每分钟每平方厘米几微升。与身体其他部位相比,出汗率可能要小两到三个数量级。”

该设备是一种被称为生物燃料电池(BFC)的能量收获器,并由乳酸(汗液中的一种可溶化合物)提供动力。该设备是由碳纳米管材料制成的,还包含一种水凝胶,有助于最大限度地吸收汗水。从外观上看,它就像一块简单的泡沫,连接着一个电极电路,所有电极都连接在指尖上。

“该设备的大小约为1平方厘米,十分灵活,所以你不必担心它太硬或感觉奇怪。你可以舒适地长时间佩戴它。”尹路说。

该设备内部会发生一系列电化学反应。电池阳极上装有生物酶,后者能氧化或从乳酸盐中除去电子;阴极上沉积了少量铂,以催化还原反应,使电子将氧气转化为水。一旦发生这种反应,电子就会从乳酸盐流到电路,进而产生电流。这个过程是自发发生的:只要有乳酸,就不需要额外的能量启动这个过程。

另一方面,压电发电机能将机械能转化为电能,与BFC相连,并互为补充。依靠手指的自然捏动或打字等日常动作,这些发电机就能产生额外的能量:每小时按一次手指只需要0.5mJ的能量,但产生了超过30mJ的能量,投资回报率为6000%。

研究人员能够使用该设备输出的电能有效维持维生素C—钠—传感系统。研究人员认为,通过改进该设备,能使它适合更多健康应用设备。“我们想让这款设备更紧密地融入可穿戴形式,比如手套。我们也在探索使用无线连接将其连到移动设备,以实现连续传感。”尹路说。

“这里有很多令人兴奋的潜力。”Joseph Wang说,“我们有十个手指可用。”(来源:科学网 唐一尘)

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2021.06.004

 
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