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據(jù)報(bào)道，日本索尼公司于近日開(kāi)始銷售名為Reon Pocket的可穿戴空調(diào)，可以將人體體感溫度降低13攝氏度，或升高8攝氏度，成功實(shí)現(xiàn)了人們“把空調(diào)帶走”這個(gè)愿望。Reon Pocket用戶只需將設(shè)備放置在特制汗衫脖子后面的插槽中，通過(guò)手機(jī)App對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)控，就可達(dá)到冬暖夏涼的效果。值得關(guān)注的是，它充滿電只需2小時(shí)，充一次電后待機(jī)可超過(guò)24小時(shí)，可持續(xù)使用90分鐘。

近年來(lái)，健身追蹤器、耳中增強(qiáng)音頻的可聽(tīng)設(shè)備以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)隱形眼鏡等各種各樣的可穿戴設(shè)備快速發(fā)展，并在智能服裝、智能設(shè)備、運(yùn)動(dòng)追蹤器以及醫(yī)療設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用。這些可穿戴設(shè)備的功率需求范圍從基本步數(shù)計(jì)數(shù)器的1毫瓦到更高級(jí)的智能手表的數(shù)十毫瓦，當(dāng)使用容量為10～300毫安/小時(shí)的厘米級(jí)小電池時(shí)，這將導(dǎo)致其電池壽命最多只有幾天。

基于此，更長(zhǎng)的電池壽命會(huì)是不錯(cuò)的選擇，但對(duì)于當(dāng)前的電池技術(shù)而言，存儲(chǔ)的能量與體積相關(guān)，而更大的電池會(huì)增加可穿戴設(shè)備的體積和質(zhì)量，無(wú)法用于編織成紡織品或直接附著在用戶皮膚上。

一些研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)新型的可拉伸電池和超級(jí)電容器來(lái)應(yīng)對(duì)可穿戴電源的挑戰(zhàn)，但很難通過(guò)絲網(wǎng)印刷（這一過(guò)程可大大降低成本）來(lái)生產(chǎn)這種電池；其他開(kāi)發(fā)商正在嘗試通過(guò)使用近距離無(wú)線通信芯片組來(lái)完全繞開(kāi)電池，但是NFC技術(shù)要求可穿戴設(shè)備的幾厘米范圍內(nèi)擁有外部電源（例如手機(jī)），一旦移開(kāi)可穿戴設(shè)備就會(huì)停止工作。

因此，研究人員嘗試從身體或周圍環(huán)境中收集能量，較早的方法涉及利用運(yùn)動(dòng)，光線和熱量。但這些經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的能量收集方法，卻很少能夠?yàn)樾⌒?、靈活、有用的可穿戴設(shè)備提供足夠的能量。例如，運(yùn)動(dòng)采集器非常適合手表應(yīng)用，但是在佩戴最新可穿戴設(shè)備的區(qū)域（例如在胸部或耳朵上）時(shí)，卻沒(méi)有足夠的運(yùn)動(dòng)量來(lái)提供；熱電發(fā)電機(jī)只有在由鋁制成的大型散熱器來(lái)收集人體的熱量，并將其傳遞到設(shè)備時(shí)才能有效地轉(zhuǎn)化能量，如果可穿戴設(shè)備穿著在衣服下，熱電發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池將無(wú)法正常工作。

近日，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分?？纱┐鱾鞲衅髦行牡难芯咳藛T，認(rèn)為可以從穿戴者的汗水中汲取能量以產(chǎn)生生物燃料，可以更好地為下一代可穿戴設(shè)備供電。他們發(fā)現(xiàn)，人類汗液中的某些物質(zhì)可用作可穿戴式燃料電池的燃料。汗水不只是水，它包含多種礦物質(zhì)和其他物質(zhì)，例如葡萄糖和乳酸。這些物質(zhì)被稱為代謝產(chǎn)物，是生物體內(nèi)不斷發(fā)生的化學(xué)過(guò)程副產(chǎn)物，它們可產(chǎn)生生物燃料，其中乳酸在汗液中的濃度更會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)量的增加而增加。

有意思的是，汗液并不是唯一的生物燃料來(lái)源，人類的身體還會(huì)產(chǎn)生各種潛在的生物燃料。例如，眼淚可以驅(qū)動(dòng)智能隱形眼鏡，而唾液可以驅(qū)動(dòng)智能護(hù)齒器。嬰兒的尿液可以為智能尿布提供動(dòng)力，而使用微針從皮膚收集的液體可以為藥物輸送裝置提供動(dòng)力。

來(lái)源：加利福尼亞大學(xué)可穿戴式傳感器中心

據(jù)介紹，燃料電池由兩個(gè)電極（一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極）組成，它們之間有電解質(zhì)。為了將汗水轉(zhuǎn)化為數(shù)字手表或其他可穿戴設(shè)備的能量，燃料電池利用一層與汗液中的乳酸反應(yīng)的酶來(lái)分解電子和質(zhì)子。質(zhì)子穿過(guò)膜到達(dá)陰極，而電子流到電路中，為設(shè)備供電。

與任何現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)化方法相比，這些生物燃料電池可以以更實(shí)用、更可穿戴的形式提供更高的功率密度。因?yàn)樨S富的汗液很容易獲得，特別是當(dāng)一個(gè)人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)。同時(shí)，考慮到運(yùn)動(dòng)員們?cè)缫褟V泛地使用了各種可穿戴設(shè)備，這代表了汗水動(dòng)力設(shè)備具有廣泛的潛在市場(chǎng)。

他們并不是第一個(gè)考慮使用體液作為燃料的研究人員，20世紀(jì)70年代一些原始起搏器和人工耳蝸就使用葡萄糖生物燃料電池供電?？紤]到體內(nèi)生物燃料的豐富性，將其用于可植入設(shè)備是一種合理的選擇。但缺點(diǎn)在于，用于催化燃料電池反應(yīng)的酶會(huì)降解，并且電極會(huì)在幾天內(nèi)停止運(yùn)行，而恢復(fù)燃料電池運(yùn)行的唯一方法是手術(shù)移除植入物，這顯然是不可行的。

為避免酶的消耗問(wèn)題，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分?？纱┐鱾鞲衅髦行牡难芯咳藛T重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了可穿戴在體外的一次性可穿戴設(shè)備。早在2014年，他們展示了首個(gè)生物燃料電池，即將乳酸生物燃料電池絲網(wǎng)印刷在織物頭帶和腕戴式護(hù)汗板上。在實(shí)驗(yàn)中，生物燃料電池每平方厘米產(chǎn)生的功率高達(dá)100微瓦，足以為L(zhǎng)ED和手表供電。這要比將熱電發(fā)電機(jī)與小型，可穿戴式散熱片搭配使用時(shí)的功率密度要大，并且比在普通室內(nèi)照明下工作的太陽(yáng)能電池的功率密度大一些。

但由于可穿戴設(shè)備具有比數(shù)字手表更多的組件，因此它們消耗的功率大約為1毫瓦或2毫瓦，而提高可穿戴生物燃料電池的功率密度是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)不斷地研究驗(yàn)證，他們發(fā)現(xiàn)增加電池的有效表面積并進(jìn)一步改善催化劑的化學(xué)成分，能夠?qū)⒐β拭芏忍岣?0倍，達(dá)到每平方厘米1毫瓦。在陽(yáng)光直射下，該功率密度接近小型太陽(yáng)能電池的功率密度。

為了使該生物燃料電池更具柔韌性和伸展性，該研究團(tuán)隊(duì)將陽(yáng)極和陰極設(shè)計(jì)為一系列通過(guò)蛇形線圈連接的“島”，并用碳納米管覆蓋了每個(gè)陽(yáng)極和陰極，形成了3D顆粒以增加電極的有效表面積。這種生物燃料電池點(diǎn)綴著成排的“島”，每個(gè)島都是一個(gè)3D電極。島的一半構(gòu)成陽(yáng)極，另一半形成陰極，這些島之間由可拉伸和彎曲的細(xì)的彈簧形金屬絲構(gòu)成的可拉伸“橋”相連。

來(lái)源：加利福尼亞大學(xué)可穿戴式傳感器中心

但是，由于電極本身并不會(huì)拉伸，因此隨著時(shí)間的流逝，電極和電解質(zhì)的熱失配會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變并導(dǎo)致燃料電池失效。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在努力解決此問(wèn)題。而將汗水能量帶給可穿戴設(shè)備還有另一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，即在大多數(shù)情況下人們不會(huì)經(jīng)常有汗水，或者汗水不足以產(chǎn)生大量能量。在運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)等應(yīng)用程序中，這可能不是問(wèn)題，但在大多數(shù)情況下，生物燃料電池并不能持續(xù)工作。

為解決這一問(wèn)題，研究人員認(rèn)為可以在可穿戴設(shè)備中添加能量存儲(chǔ)元素，或者在可穿戴設(shè)備中添加補(bǔ)充性的非生物燃料能量裝置。對(duì)于需要恒定能量供應(yīng)的可穿戴設(shè)備（如智能手表），最好的解決方法是添加電池或超級(jí)電容器來(lái)充當(dāng)能量緩沖裝置。如果燃料電池具有高功率密度，但電力供應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)，則可穿戴設(shè)備將在有電時(shí)為其電池充電，并在生物燃料電池停止發(fā)電時(shí)為電池放電，但此能量緩沖器需要具有與其余可穿戴設(shè)備相同的一般物理屬性。

汗水發(fā)電是一項(xiàng)新技術(shù)，當(dāng)前仍然存在許多挑戰(zhàn)。一方面，并非所有人的出汗量都相同，因此必須確保該系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種條件；另一方面，需要更好地將這些生物燃料電池與其他能源和電子設(shè)備集成在一起，以創(chuàng)建更實(shí)用的可穿戴設(shè)備。此外，生物燃料電池的壽命還需進(jìn)一步提高。未來(lái)，科學(xué)家們希望能研發(fā)出一種小型、靈活、堅(jiān)固耐用且可水洗的可穿戴設(shè)備，這些設(shè)備可全天使用且無(wú)需充電。