摩擦摩擦，能量采集瞄準穿戴式健康監測

美國北卡羅來(lái)納州立大學(xué)(North Carolina State University)的研究人員正利用納米技術(shù)，為超低功耗傳感器打造能量采集與儲存設備，這項獲得美國聯(lián)邦政府資金贊助的研究案，目標是實(shí)現不需電池、以人體發(fā)電的可穿戴式健康監測設備。

 

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)旗下的整合式傳感器技術(shù)先進(jìn)自供電系統中心(The Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors Technologies，ASSIST)正在開(kāi)發(fā)兩種傳感器：一是用于生物電子、生物化學(xué)以及聲學(xué)監測的非侵入式健康傳感器，另外一種則是量測氣體、顆粒物質(zhì)以及溫度的環(huán)境傳感器；研究的目標是針對環(huán)境如何導致生理信號的改變收集更精確的數據，以及開(kāi)發(fā)多模式能量采集設備。

 

ASSIST的產(chǎn)業(yè)聯(lián)絡(luò )窗口Tom Snyder曾在今年初的國際消費性電子展(CES)上，展示了一款氣喘監測器，是透過(guò)用戶(hù)的呼吸來(lái)啟動(dòng)與供電：“如果我們知道暴露在臭氧中，監測心電圖(EKG)以及知道身體的運動(dòng)──氣喘的是可以在發(fā)生的24小時(shí)以前被預測到的；”他表示，目前這些原則正在進(jìn)行研究。

 

那些可穿戴傳感器必須要是小型化、低功耗，而且定期進(jìn)行數據傳輸；為此ASSIST與其研發(fā)伙伴正在開(kāi)發(fā)多模能量設備，結合例如熱電(thermoelectric)以及動(dòng)能(kinetic energy)等元素。而ASSIST將在下個(gè)月舉行的年度成果檢閱上，展示一款臂帶式EKG監測設備，能利用熱電能量無(wú)線(xiàn)傳輸數據到一個(gè)收集器。

 

“如果我們要做縱向的長(cháng)期研究，我們不會(huì )希望資料收集中斷；因此如果你能找到一種自供電的方式，就能收集到更多、更完整且持續的資料；”Snyder指出，當可穿戴式設備變得常見(jiàn)，電力會(huì )是一個(gè)很大的問(wèn)題：“購買(mǎi)那類(lèi)設備的人們會(huì )使用一段時(shí)間，然后它們在六個(gè)月之內有大部分最后會(huì )被丟在抽屜里或是被拋棄，就是因為與電池相關(guān)的麻煩。”

 

熱電材料是導電的，但能隔熱；如臂帶式設備的案例是將體溫轉成電力；如果材料的某一面溫度比貼著(zhù)皮膚的那一面低，溫度差就能驅動(dòng)電壓用以收集能量。ASSIST的團隊也在針對軟性、納米級材料研究新的熱同步(heat syncing)技術(shù)，例如具備可拉伸電極，能更貼合于皮膚或從人體汲取更多的熱。

 

 

ASSIST 開(kāi)發(fā)以熱能轉成電能的健康傳感器
 

 

此外ASSIST采用壓電材料采集動(dòng)能，目標是在非常低的電壓下運作；Snyder指出，Seiko的動(dòng)能手表是在內部有一個(gè)重量，能轉動(dòng)馬達來(lái)產(chǎn)生電流與電力──ASSIST希望能利用此原則，在壓電組件加上一個(gè)重量，來(lái)采集旋轉或運動(dòng)產(chǎn)生的能量。

 

Snyder表示，以上兩種能量采集方法都有實(shí)際應用、也能降低能源成本；舉例來(lái)說(shuō)，醫療專(zhuān)業(yè)人員可用能量采集器來(lái)監測EKG或血糖值，而以動(dòng)能采集為主的設備則能利用在資產(chǎn)追蹤或是運輸等對于監測產(chǎn)品震動(dòng)有幫助的地方。

 

ASSIST打算開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的系統，需求的電力低于1mW (milliwatt)；Snyder表示：“最好是只有幾微瓦(microwatts)，然后我們就能采集足夠的能量，讓外觀(guān)非常小型化的系統能持續運作。”他有信心假以時(shí)日，能量采集技術(shù)甚至能收集到比需求量更多的電能，例如賓州大學(xué)正在進(jìn)行研發(fā)的超級電容，是傳統電容與鋰離子電池的混合體：“那些超級電容具備創(chuàng )世界紀錄的能量密度以及低泄漏電流。”

 

另外 ASSIST 也正在與密歇根大學(xué)(University of Michigan)合作開(kāi)發(fā)一種客制化射頻設備，目標是讓其耗電量比藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技術(shù)低一千倍；目前研究人員正在測試各種可能的低功耗技術(shù)，包括射頻、傳感器與其他硬件。