研究人员研发出一种超薄能量采集系统，弯曲或按压时即可产生少量电能，即使在人类动作所具有的极低频率下也能发电。
这种设备有望催生利用动作产生能量的服装，为手机或其他小型电子设备充电。
人类“充电站”
“未来，我预计我们都将成为个人设备的充电站，直接从自身动作和周围环境中获取能量。”主持这项研究的范德堡大学机械工程学助理教授卡里·平特说。
“看到尤塞恩·博尔特，你会想到地球上跑得最快的人。看到他时，我想到的却是一台以5赫兹运转的机器。”
“外骨骼和智能服装等可穿戴设备日益普及，因此这项研究来得正是时候，也令人振奋。这些设备有望受益于平特博士在材料和能量采集方面的进展。”未参与该设备研发的卡尔·泽利克指出。他是机械与生物医学工程学助理教授，也是运动生物力学专家。
目前，许多研究都在寻找有效利用环境能源的方法。这些方法包括旨在从振动和形变中提取能量的机械设备；旨在利用温度变化获取能量的热能设备；捕获光、无线电波及其他形式辐射能的辐射能设备；以及利用生化反应的电化学设备。
“与其他旨在从人体动作中采集能量的方法相比，我们的方法有两项根本优势，”平特说。“材料薄至原子级，尺寸也足够小，可以嵌入纺织品而不影响织物的外观或触感；它还能从低于10赫兹（每秒10个周期）的动作中采集能量，覆盖与人体动作相对应的整个低频范围。”
“看到尤塞恩·博尔特，你会想到地球上跑得最快的人。看到他时，我想到的却是一台以5赫兹运转的机器。”共同带队制造并测试这些设备的博士生尼廷·穆拉利达兰说。
事实证明，从如此低频的动作中提取可用能量极具挑战。多个研究团队正在开发基于压电材料的能量采集器，这类材料能将机械应变转化为电能。
然而，这些材料通常在频率超过100赫兹时效果最佳。这意味着它们只能在人体动作极小的一部分时间内发挥作用，因此即使在最佳条件下，效率也不到5-10%，十分有限。
平特说：“据计算，在理想的设备配置下，我们的采集器效率可超过25%。更重要的是，它能在缓慢的人体动作（例如坐着或站立）持续的整个过程中采集能量。”
反复尝试
实验室的超薄能量采集器以团队在先进电池系统方面的研究为基础。
过去3年来，团队一直在探索电池材料对弯曲和拉伸的基本响应。他们率先通过实验展示了电池材料受力时工作电压会发生变化：受拉时电压升高，受压时电压降低。
团队与机械工程学副教授格雷格·沃克合作，由他利用计算机模型验证了这些关于锂电池材料的观察结果。这项研究的结果发表在期刊《ACS Nano》。
这些观察结果促使平特的团队重新设计电池，让正极和负极都由同一种材料制成。
……工程师可以根据具体应用需求，将设备制成任意厚度……
虽然这使设备无法储存能量，却让它能够充分利用弯曲和扭转引起的电压变化，从而响应人体动作产生大量电流。
实验室最初的研究成果发表于2016年。与此同时，麻省理工学院的一个团队取得了突破，也进一步启发了他们：该团队用硅和锂制成邮票大小的设备，通过平特及其团队正在研究的效应采集能量。
对此，研究人员决定尽可能将材料做薄，采用黑磷纳米片。这种材料凭借出色的电学、光学和电化学特性，已成为二维材料研究领域的新宠。
能量采集器的基本构件厚度约为人类头发的1/5000，因此工程师可以根据具体应用需求，将设备制成任意厚度。
他们发现，弯曲原型设备每平方英尺最多可产生40微瓦电力，并能在频率低至0.01赫兹（每100秒一个周期）的动作持续期间始终产生电流。
研究人员承认，他们面临的挑战之一是设备产生的电压相对较低，处于毫伏范围。不过，他们正运用对这一过程的基本认识来提高电压。
他们还在探索电气元件的设计，例如让液晶显示屏等元件能够在低于通常水平的电压下运行。
“我们论文的一位同行评审提出了安全问题，”平特说。“这在这里不是问题。
“电池通常会在正负极短路时起火，因为短路会点燃电解质。我们的能量采集器有两个相同的电极，因此短路只会妨碍设备采集能量，不会造成其他影响。确实，如果用喷灯烧烤，我们的原型会起火；但使用固态电解质就能消除这一隐患。”
展望未来
这项技术较具未来感的应用之一，或许是电气化服装。它可以为嵌有液晶显示屏的衣物供电，让穿着者用智能手机轻轻一划，就能更换颜色和图案。
“这项技术有许多发展方向……”
平特说：“我们已经测得，当按所穿衣物的厚度和面积进行性能换算时，设备性能大致符合中等尺寸低功耗液晶显示屏的功率需求。”
平特还认为，他们的设备除了用于供电系统之外，也有潜在应用。
他说：“将设备融入服装后，它可以高灵敏度地把人体动作转化为电信号，从而记录我们的动作。或者，能够追踪我们三维动作的服装可以与虚拟现实技术整合。这项技术有许多发展方向。”
研究人员在期刊《ACS Energy Letters》上介绍了这种新型能量采集系统。
