自供电电子产品的科研成就

不管是个人生活还是工业应用，世界已经严重依赖电子产品。然而，有限的电池寿命仍然是一个影响设备使用体验的显著问题，特别是当人们在偏远地区使用联网设备时，充电或更换电源往往很困难。低电量警告也会让那些重度依赖电子产品的用户感到烦恼。

幸运的是，研究人员在能量收集方面取得了令人瞩目的进展，这可能导致自供电电子产品的出现。我们的日常设备能否不断从环境或我们自身获取电力，而不是依靠需要定期充电的辅助电源？到目前为止，科研人员取得了哪些成就？

PART 01

开发能量收集织物

如果能量收集设备对日常生活的影响很小或没有影响，人们很可能会使用它们。一个研究小组意识到了这一点，他们设计了一种智能织物，可以跟踪人们的运动，监测他们的健康状况，并从环境中获取能量。他们的创新包括压电复合材料和碳纤维增强聚合物。它无需外部电源，就能将体热和太阳能转化为电能。

该团队还特别设计了这种织物，使传感器易于放入材料中，无论人们是想跟踪化学成分、温度还是其他方面。智能口罩是研究中发现的一个潜在应用。COVID-19向世界展示了传染性、广泛性疾病的破坏性。然而，可以保护佩戴者并为医务人员提供有关他们的统计数据的高科技口罩可能会改变游戏规则，在紧急情况下协助护理。

由于这种面料比同类产品更稳定、更有弹性、价格更实惠，这些特点提高了它的商业吸引力。然而，该团队必须进行进一步的测试来评估这种材料的可行性，包括与工程师合作插入传感器并提高整体性能。此外，进一步的改进可能涉及开发一款智能手机应用程序，可以将佩戴者的数据传输给医护人员或其他选定的专业人员，从而实现日常使用过程中的实时、非侵入式监测。

无论消费者最终是否可以购买和使用由这种先锋面料制成的服装，相关的发展和实验都将为进一步改进通过能量收集来工作的自供电电子设备提供参考。

PART 02

提高自供电电子产品的耐用性

致力于创造自供电电子产品的研发人员必须考虑各种因素。例如，人们会在室内还是室外使用这些设备？他们会一直使用这些设备还是在某个特定场景中临时使用？解答这些问题可以让人们创造出在预期环境中运行良好的产品。

在一个案例中，一个国际研究小组优先考虑了坚固、轻便的能量收集设备的耐用性。它利用压电材料捕捉环境中的振动能量，这些材料在物理应力作用下会产生能量。该团队还选择了碳纤维增强聚合物 (CFRP)，这种材料已经广泛应用于从航空航天到医学等多个行业。研究人员意识到，为放置在偏远地区的联网设备供电，或者在需要维护多个设备时让它们全部正常运行是多么困难。

该发明的耐用性和自供电特性有助于其未来的应用。在制造它时，该团队选择了CFRP和铌酸钾钠纳米颗粒，并将它们与环氧树脂混合。CFRP也成为一种双重用途材料，可用作电极和增强基板。此外，压电晶体响应动能发电，创造了许多潜在的应用场景。

在这种情况下，研究人员使用压电复合材料和压电振动能量收集器制作了他们的设备。测试表明，在研究人员对其施加超过100,000次压力后，该设备仍然表现出高性能结果。此外，实验表明，这种能量收集器可以收集电能以供日后使用并点亮LED灯。这些积极成果让人们对自供电电子产品的潜在应用充满希望。

PART 03

实现能源效率的突破

联网设备为决策者提供了必要的可视性，可防止产品在供应链中移动时发生浪费、破损和其他不良事件。据估计，每年有多达2,500万个干货集装箱在世界各地运输产品。然而，跟踪这些行程的传感器中的电池只能使用几年，更换电池常常并不容易。

科学家们想知道，他们能否通过创建一种收集射频信号的能量收集选项来找到一种更节能、更方便的解决方案。Wi-Fi和蓝牙等技术使它们在现代世界中占据着重要地位，那么为什么不使用它们来为设备供电呢？来自三个国家的参与者合作开展了一个前瞻性项目，该项目将环境射频信号转换为直流电能。这种方法可以为传感器和电子设备供电，让人们无需电池就可以使用它们。

更具体地说，研究人员依靠纳米级自旋整流器(SR)技术作为必不可少的组件。该小组设计并优化了两种SR配置，发现串联排列的10-SR阵列具有最佳的能源效率和整体性能。将其集成到能量收集模块后，科学家发现该装置成功为温度传感器供电。

这一结果表明，收集射频信号可能是设计节能且实用的电子设备和传感器的关键步骤。此类选择也可能符合决策者的可持续发展目标，尤其是当利益相关者要求领导者对其运营做出可衡量的环保改变时。

PART 04

向电能的转化

影响自供电电子产品广泛应用的一个潜在障碍是充电时间。很容易想象，它们适合那些大部分工作时间都站着、四处走动而不是长时间静坐的人。然而，研究人员找到了一种方法，可以将纳米发电机的功率密度提高到传统发电机的140倍。

该团队利用激光完善了他们的能量收集技术，制造出了一个带有34个收集元件的原型设备。不过这一规模可以进一步扩大以提高能量收集能力。参与的研究人员认为，他们选择的自供电电子产品最终可能像今天的太阳能电池板一样强大且简单易用。

该装置是一种摩擦电纳米发电机，可从日常运动中获取能量。所选材料在接触和分离时会产生电能，其工作原理类似于将气球在头发上摩擦，将其拉开时头发会因静电而竖起。

这些研究人员计划通过创办一家以摩擦电技术为中心的企业来获利，希望制造出可持续运行的自供电医疗传感器，并为工业可扩展性开辟新的机会。

将自供电电子产品推向主流应用需要全球团队的投入和辛勤工作。然而，这些令人兴奋的例子表明，我们在寻找更好、更持久、可与现有能源配合使用的电源方面走在了正确的道路上。