新型电路设计：进一步提升可穿戴热电发电机性能！

导读

美国佐治亚理工学院研究人员采用柔性导电聚合物和纸张上印刷的新型导电图案，展示了一种概念验证阶段的可穿戴热电发电机。该热电发电机能采集人体热量，为简单的生物传感器供电，这些生物传感器可用于测量心率、呼吸和其他生理指标。

关键字

柔性、温差电、自供电、可穿戴技术

背景

热电发电机，能将热量转化为电力，已经存在有几十年了。为此，笔者也做过一些相关科研案例的介绍。例如，美国北卡罗莱纳州立大学发明的热电发电机，它可以持续地利用身体与周围环境之间的温度差异发电。

（图片来源：北卡罗莱纳州立大学）

另外，例如韩国蔚山国立科技大学（UNIST）材料科学和工程学院开发的一种基于温差的新型能量采集系统，它能够简单地通过与衣物、窗户和建筑物墙壁接触而产生能量。这种新型设备可以将温差提高到20.9 °C，这是迄今为止所报道的所有的可穿戴热电发电机的温差最高值。

（图片来源：UNIST）

但是，标准的热电发电机设计使用的是非柔性的无机材料，这些材料应用于可穿戴设备，毒性太大。另外，功率输出取决于发电机两侧产生的温差，这些温差由人体热量的改变决定。可是，由人体热量驱动的可穿戴热电发电机技术存在一个重要缺陷：温度差异只有 1℃ ~ 4 ℃，这一点阻碍了这项技术的进一步商业化。从皮肤上一小块接触区域获取足够多的热量，无疑将增加技术的挑战性。另外，设备的内部电阻也限制了功率输出。

创新

为了以上克服挑战，美国佐治亚理工学院的 Menon 与助理教授 Shannon Yee 实验室的合作人员采用柔性导电聚合物以及印刷于纸张上的新型导电图案，演示了一种概念验证型的可穿戴热电发电机。

（图片来源：Candler Hobbs，佐治亚理工学院）

佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院的博士生 Akanksha Menon 表示：

“热电发电机吸引人的地方就是在我们周围到处都是热量。如果我们可以利用一点点热量，廉价地将它转化为电力，就会产生很大的价值。我们正致力于研究如何通过身体热量发电。”

这项研究得到了百事可乐公司和美国空军科学研究处的支持，在线发表于9月28日的《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）。

技术

这种设备具有成千上万个点，这些点分布于紧密堆积的布局上，由p型和n型聚合物交替组成。

（图片来源：参考资料【2】）

由于喷墨打印机带来的封装密度大，这些图案可以在单位面积上产生出更多的热量。通过将聚合物点更加紧密地放置在一起，这些互连线的长度变短，从而降低了总电阻，提高了设备的功率输出。

（图片来源：参考资料【2】）

这些设备具有对称的分形布线图案，因此可以裁剪到一定的尺寸，从而可以满足特殊应用的电压和功率需求。这种模块化的发电机可喷墨印刷在柔性衬底例如织物上，并且可使用廉价的卷对卷技术制造。

价值

论文的合著者之一、佐治亚理工学院曾经的博士生（工作于该项目时）Kiarash Gordiz 表示：

“我们使用一种基于空间填充曲线的布线图，例如希尔伯特图案（一种连续的空间填充曲线），取代传统的蛇形布线图，连接这些聚合物点。这里的优势在于希尔伯特图案考虑到表面构造和自定位，为设备提供了更加统一的温度。”

（图片来源：参考资料【2】）

这种新型电路设计也有另外一项优势：这种分形的对称设计让模块可以沿着对称区域的边界进行裁剪，为特殊应用提供更加精准的电压和功率。这样就无需功率转换器，因为它会增加复杂性并从系统中带走能量。

Menon 表示：

“对于可穿戴设备来说，你需要的组件越少越好，所以这样很有价值。我们认为这将是一种非常令人感兴趣的方式，它可以拓展热电元件在可穿戴设备中应用。”

目前为止，设备都是印刷在普通的纸张上，但是研究人员已经开始探索使用织物。纸张和织物都是柔性的，但织物更容易集成到衣服中。Menon 表示：

“我们想要将我们的设备集成到人们日常穿戴的商用纺织品中。人们穿着这些面料会感到非常舒适，而且它们也能够通过身体热量为某些东西供电。”

通过新型设计，研究人员期望采集足够的电力为小型传感器供电，范围为微瓦到毫瓦。这将足够为小型心率传感器供电，但无法为更复杂的设备例如健康追踪器或者智能手机供电。这些发电机也可以用于电池充电，让设备运行更长时间。这些热电发电机还可以为生物传感器供电，这些传感器可用于测量心率、呼吸和其他生理指标。

这些新开发出的材料还有其他的用途，例如作为反转该过程的局部冷却设备，用电力将热量从设备的一端移动到另外一端。冷却身体部位，不仅为人类带来了舒适感，同时也无需大空间空调那样的成本。

未来

（图片来源：Candler Hobbs，佐治亚理工学院）

未来的挑战包括：发电机的防潮和决定发电机应该离皮肤多远（用于传递热量，同时保持穿戴者的舒适性）。

研究人员使用商用的P型材料，与佐治亚理工学院的化学家们一道致力于开发更好的n型聚合物，并应用于未来的新一代设备。这些设备能够在室温条件下以微小的温度差异运行。相比于作为管道系统和蒸汽管道的发电机的100度温差相比，身体热量产生的温差低至5摄氏度。伍德拉夫机械工程学院的实验室主任 Yee 表示：

“这种类型的聚合物材料未来的优势之一就是作为丰富的、低成本、具有天生的低导热率的热电材料。有机电子社区在理解基于聚合物材料的电子和光学特性方面已经取得了巨大的进展。我们正在掌握这些聚合物中热和热电传输的知识基础上，启用新设备功能。”

参考资料

【1】http://www.newswise.com/articles/novel-circuit-design-boosts-wearable-thermoelectric-generators

【2】Kiarash Gordiz, Akanksha K. Menon, Shannon K. Yee. Interconnect patterns for printed organic thermoelectric devices with large fill factors. Journal of Applied Physics, 2017; 122 (12): 124507 DOI: 10.1063/1.4989589