哈工大发明可柔性可佩戴实时点亮LED灯的体温发电机

事实上，将体温发电与可穿戴设备相结合直至今天仍是一项创新之举。

1998 年，日本著名制表公司精工（SEIKO）曾发布过一款由体温供电的石英表 Seiko Thermic，做出了将热电技术应用于手表的一次较早尝试——不过在一颗普通纽扣电池就能支持石英表 1-3 年续航的年代，这款产品即便令人眼前一亮，最终也并未获得商业成功。

后来在 2016 年，硅谷初创公司 Matrix Industries 针对智能手表的续航问题，在众筹网站 Indiegogo 上发布了世界上第一款纯热电驱动的智能手表 Powerwatch，引发不少关注。

事实上，将体温发电与可穿戴设备相结合直至今天仍是一项创新之举。

最近，一组哈工大研究人员就开发出了一种小型可穿戴设备，可将人体皮肤发出的热量转化为电能。

把设备戴在手腕上，可以实现为 LED 灯供电。

2021 年 4 月 29 日，相关研究成果发表于《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志，题为 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一种基于 Mg3Bi2 热电模块的可穿戴实时电源）。

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柔性「体温发电机」

先来了解一下何谓「热电技术」。

在两种金属构成的回路中，如果金属结点处温度不同，处在较温暖区域的电子受热移动至较冷的区域，该回路就会产生一个电势差（电压），在连接它们的导线上产生电流。

简而言之，这项技术就是利用热电装置的温度差产生电压。

由于电流较弱，热电技术通常只能为能量需求不大的设备供电，而可穿戴设备基本部件的功耗一般在 100nW（纳瓦）到 10mW（毫瓦）之间（如下图所示），基于此，将这项技术应用于可穿戴设备和人体植入装置将是绝佳的选择。

在研究人员看来，「热电发电机」（Thermoelectric generators，以下简称 TEG）为可穿戴电子设备供能在未来将是一项很有前景的应用。

TEG 将是传统电池的一个很好的替代，原因在于其独特的特性，比如无工作流体、无运动部件、操作过程安静、可靠、便携等等。

正如研究人员所言：

TEG 可以收集体温这样的分散式低品质热量，使之转化为电能。

但值得关注的是，传统的刚性 TEG 难以兼容可穿戴产品，因此研究人员的目标便是设计一种柔性 TEG（flexible TEG，即 FTEG）。

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实时为 LED 灯供电

材料方面，研究人员设计的 FTEG 包括 p 型碲化锑（Sb2Te3）和 n 型铋化镁（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基体和柔性印刷电路板（FPCB）电极。

n 型 Mg3Bi2 基材料被学术界认为是近室温应用的优质材料。另外据《中国科学报》报道：

市面上的 TEG 在很大程度上依赖于稀有金属碲，而新设计用镁基材料部分取代了碲基材料，这可以降低大规模生产的成本。

下图展示的是材料的电阻率（ρ）、塞贝克系数（S，即半导体材料的温差电动热）、功率因数（PF ）、热导率（κ）和 ZT（品质因数）值。

具体制造过程则是：

将 FPCB 电极粘贴在陶瓷基板上；

用激光标记去除多余的 PI 膜（聚酰亚胺薄膜）；

把 n 型和 p 型热电支腿交替布置在基板上；

将热电模块剥离基板，用 PU 填充。

最终数据表明，这款 FTEG 设备具有较低的热旁路和高效的热接触面，在环境温度为 16 摄氏度（气流速度 1.1 m/s）时将设备放在手臂上，峰值功率密度约为 20.6 μW/cm2；在温差 -223.15 摄氏度时，峰值功率密度为 13.8 mW/cm2。

不仅如此，该设备在 13.4 mm 的弯曲半径下承受 10000 次弯曲循环后无显著变化（小于 1.4%）。

研究人员将尺寸为 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 设备放置在手臂上，成功点亮了 LED（发光二极管）灯——这表明该 FTEG 设备具有为可穿戴设备提供实时电源的潜力。

编辑：jq