新式电路图案让衣物实现自供电

摘要: 采用p型和n型半导体压印的穿戴式织品结构,能够让衣物的布料将人体的热转化为电力,从而为生物传感器供电,或相反地用于为穿戴者提供冷气。

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根据美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员表示,采用p型和n型半导体压印的穿戴式织品结构,能够让衣物的布料将人体的热转化为电力,从而为生物传感器供电,或相反地用于为穿戴者提供冷气。

研究人员借由利用德国数学家大卫·希尔伯特(David Hilbert)知名的几何空间——特别是其空间填充曲线(space-filling curves),作为电路压印的图案,证实可印刷的热电能量收集穿戴式装置之输出电压和功率能够加以微调,以符合特殊应用的精确需求。

乔治亚理工大学的第一项展示是在纸上进行的,但研究人员说,这种电路图案还可以印刷在衣物或各种不同的软性导电聚合物上,产生能够从身体热量中收集能量的材料,并用于为测量生命特征(如心率与呼吸等)的简单生物传感器供电。

在乔治亚理工学院教授Shannon Yee实验室进行这项研究的博士候选人Akanksha Menon表示:「我们用于互连的Hilbert图案是分形对称的,这是一种众所周知的数学结构。这基本上意味着任一个子集与整体是完全相同的——具有不同尺度的自相似性。当应用于热电元件时,该设计沿着可被镶嵌纹路的模组产生对称线条,以提供特定的电压输出。这能让我们以大规模地印刷具有许多元素的元件,然后沿着这些对称线切割,以取得需要的电压。」


乔治亚理工学院研究人员测量热电聚合物薄膜元件的导电率(来源:Candler Hobbs/Georgia Tech)

Menon和Yee将其Hilbert曲线称为分形布线图案,因为它能以各种不同的密度印刷,然后再依照目标应用的电压和功率需求切割大小。

虽然研究人员尚未能证实倒转这一过程以创造个人化空调的概念,但他们认为,Hilbert曲线压印织物能让温度梯度差仅集中于穿戴该织物者的皮肤上,从而让目前效率差的全室空调带来巨大的节能效果。

Menon说:「理论上,该元件能够反向运作。在此情况下必须透过元件传送电流,这将会导致其中一端冷却[服装内部],而另一端却在发热[服装外]的情况。挑战就在于为了取得大量的冷却效果,就需要具有非常特殊材质的材料。所以我们在实验室中还进行了另一项专门针对这个应用的研究计划。」


乔治亚理工学院Woodruff机械工程系博士生Akanksha Menon测量热电聚合物薄膜元件(来源:Candler Hobbs/Georgia Tech)

热电材料已经反向应用很长时间了。例如插入汽车点烟器的冷却器使用软性条,当冷却器内部变冷时,在另一端插入时会发热,但是这些产品使用的都是有毒的无机散装材料。Menon和Yee正探索使用相同方法但以无毒的有机薄膜聚合物形式取代,使其得以使用喷墨印表机印刷原型或卷对卷印刷实现大量生产。

Hilbert曲线图让材料在大规模制造或印刷于纺织品后为应用进行定制化。这将使其无需电压或功率转换器,而能提高热-电转换的效率,从而根据衣物的尺寸产生数百微瓦(uW)甚至甚至毫瓦级(mW)电力。研究人员说,材料的p型和n型极性比散装材料更紧密,使其能效足以为织入服装中的医疗监控传感器供电。


图中显示在25美分硬币(36.0 x 31.2 mm)的面积中有3600个喷墨印刷的热电接脚。红、蓝点分别表示n型和p型聚合物

至于未来,研究团队希望能为特定的穿戴式应用找到最佳化的材料,并证实合身舒适的衣物能够从穿戴者的身体收集到足够的热量,以执行编织于衣物中的传感器网络。

这项研究是由美国空军科学研究办公室(Air Force Office of Scientific Research)和百事可乐公司(PepsiCo Inc.)提供赞助。关于这项研究的细节刊载于应用物理期刊(Journal of Applied Physics)的“Interconnect Patterns for Printed Organic Thermoelectric Devices with Large Fill Factors"一文。


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《能量收集系统市场-2016版》



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