“生物燃料电池”：可穿戴设备将手指的触感转化为能量来源

这种以汗水为燃料的装置的特别之处在于，它甚至在佩戴者睡着或坐着不动时也能发电。这对可穿戴设备领域来说可能是个大问题，因为研究人员现在已经找到了如何利用从人类汗水中提取的能量，即使一个人不在移动。

研究共同第一作者、加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士生Lu Yin说，这种类型的设备是同类产品中的第一个。“与其他以汗水为动力的可穿戴设备不同，这个设备不需要运动，不需要佩戴者的物理输入，就能发挥作用。这项工作是朝着使可穿戴设备对普通人来说更实用、更方便和更容易获得的方向迈出的一步。”

7月13日发表在《焦耳》杂志上的一篇论文中描述了这种新的可穿戴式能量收集器。

该设备还能从手指的轻按中产生额外的能量--因此诸如打字、发短信、弹钢琴或敲击摩尔斯密码等活动也能成为能量来源。

加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授、该研究的资深作者Joseph Wang说：“我们设想这可以用于任何涉及触摸的日常活动，即一个人在工作时、在家里、在看电视或吃饭时通常会做的事情。目标是这种可穿戴设备将自然地为你工作，你甚至不需要考虑它。”

该设备的大部分能量来自指尖产生的汗水，指尖是24小时的汗水“工厂”。一个鲜为人知的事实是，指尖是身体上最容易出汗的地方之一；每个指尖都有一千多个汗腺，可以产生比身体上大多数其他区域多100到1000倍的汗液。

“我们感觉身体其他部位出汗较多的原因是这些地方通风不好，”研究人员说。“相比之下，指尖总是暴露在空气中，因此汗水在流出时就会蒸发。因此，我们不是让它蒸发，而是用我们的设备来收集这些汗水，它可以产生大量的能量。”

但不是任何以汗水为燃料的设备都能在指尖上工作。Yin解释说，从这么小的地方收集汗液并使其发挥作用需要一些创新的材料工程。研究人员必须将设备的不同部分打造得具有超强的吸收能力，并能有效地将人类汗液中的化学物质转化为电能。

Yin与加州大学圣地亚哥分校纳米工程专业的博士生Jong-Min Moon和Juliane Sempionatto共同完成了这个项目，他们是该研究的其他第一作者，是Joseph领导的团队的一部分，Joseph也是加州大学圣地亚哥分校可佩戴传感器中心的主任。Joseph和他的团队8年前开创了以汗水为燃料的可穿戴设备。从那时起，他们一直在该技术的基础上创造新的和更好的方法，利用可持续的资源为可穿戴设备供电，例如穿戴者本身和他们周围的环境。

这项最新的能量收集技术特别独特，因为它可以随时随地作为电源。它没有像太阳能电池那样的局限性，太阳能电池只在阳光下工作，而热电发电机只在设备和周围环境有较大温差时工作。

它是如何工作的

该设备是一个薄而灵活的条状物，可以像创可贴一样缠绕在指尖上。由碳泡沫电极组成的衬垫吸收汗水并将其转化为电能。电极上装有酶，可以触发乳酸和汗液中的氧分子之间的化学反应以产生电能。电极下面是一个由所谓压电材料制成的芯片，在按下时产生额外的电能。

当佩戴者出汗或按压带子时，电能被储存在一个小型电容器中，并在需要时被释放到其他设备上。

研究人员让一名受试者在做久坐活动时将该设备戴在一个指尖上。从10个小时的睡眠中，该设备收集了近400毫焦耳的能量--这足以为一只电子腕表提供24小时的能量。从一小时的随意打字和点击鼠标中，该设备收集了近30毫焦耳。而这仅仅是来自一个指尖。研究人员说，把设备绑在其余的指尖上会产生10倍的能量。

“通过利用指尖上的汗水--无论你在哪里，无论你在做什么，汗水都会自然流出--这项技术在用户不费吹灰之力的情况下提供了能量的净收益。这就是我们所说的最大能源投资回报，”Joseph说。

“将其与一个在你运动时收集能量的设备相比较，”研究人员解释说。“当你在跑步时，你投入了数百焦耳的能量，但设备却产生了毫焦耳的能量。在这种情况下，你的能源投资回报率非常低。但有了这个设备，你的回报就非常高。当你在睡觉时，你没有投入任何工作。即使是用手指按一下，你也只投资了大约半毫焦耳。”

在其他实验中，研究人员将他们的能量收集器连接到一个电子系统，该系统由一个连接到小型低功耗显示器的化学传感器组成，该显示器显示传感器数据的数字读数。每隔10秒按压能量收集器10次，或者只是把它戴在指尖上两分钟，就足以为传感器和显示器供电。在一个实验中，研究人员将他们的设备与他们在实验室开发的维生素C传感器连接起来。他们让受试者服用维生素C药片，然后用手指供电的系统来读取他们的维生素C水平。在另一个实验中，研究人员表明，他们的系统也可以与实验室建立的钠传感器一起使用，以读取盐水溶液的钠离子水平。

"我们的目标是使这个装置成为一个实用的装置，"研究人员说。"我们想表明，这不仅仅是另一个可以产生少量能量的很酷的东西，然后就这样了--我们实际上可以用这些能量来为有用的电子产品供电，如传感器和显示器。"

为此，该团队正在对该设备进行进一步的改进，使其更加高效和耐用。未来的研究将包括将其与其他类型的能量收集器相结合，以创造新一代的自供电可穿戴系统。