可穿戴设备通过人体运动供电，可行吗？
导读
摩擦电纳米发电机，能采集人体运动的能量，为可穿戴设备进行供电。然而，还是有不少人怀疑其可行性和实用性。然而，最近韩国三星综合技术研究院的一项最新研究证明：摩擦电纳米发电机能够满足小型可穿戴设备和便携式设备的能耗需求。
关键字
摩擦电纳米发电机、可穿戴、智能手机、传感器、能量
背景
可穿戴设备、传感器、智能手机等电子设备存在一个普遍问题：电池续航能力有限、需要反复充电。众所周知，这是影响设备性能和用户体验的一个十分重要的障碍。
为此，科研界和产业界都在不断改善电池性能，也在积极探索新的能量供应方式，采集外部能量为电子设备供电。这些外部能量包括：太阳能、热能、机械能等，它们都是而清洁和可再生的。
然而，采集这些能量，并将它们转化为电子设备可利用的电能，就需要特殊的装置。上个月，John 曾在《新型摩擦电纳米发电机：灵感来源于中华传统剪纸！》一文中，介绍过一种超轻、菱形剪纸式样的「摩擦电纳米发电机」（TENGs），它就是一种可采集人体运动产生的机械能，并转化为电能的特殊设备。
（图片来源于：美国化学会）
摩擦电纳米发电机的工作方式很简单，它从周围的机械能中采集能量，这些机械能可以由人体运动例如跑步产生。
擦起电现象，是一种很早被人们认识到的自然现象，随时随地都可以进行，十分便捷。摩擦电纳米发电机，正是基于这一原理。当摩擦发生时，两层聚合物薄膜之间产生电荷会发生分离，从而形成电势差，经由外部电路即可形成电流，从而产生电能。
摩擦电纳米发电机的发明，为我们开启了能量采集和供给的新途径。未来，智能衣服、可穿戴设备、植入式医疗设备等等，都可以利用人体运动进行发电，实现“自供电”。
未来，也许我们将不用再担心手机没电，也无需到处寻找插座和充电宝。也许，走上一段路，或者运动一段时间，手机就又会有电了。
研究
然而，对于这么具有吸引力的前沿创新技术，或许不少朋友不禁会问：
这种摩擦电纳米发电机，利用穿戴者日常运动产生的能量，足以给可穿戴电子设备供电吗？这种设备具有可行性和实用性吗？
为此，韩国三星综合技术研究院展开了最新研究，研究论文于本周发表在由美国物理学会出版的《APL材料》杂志上。下面，我们将介绍一下这项研究的主要内容和关键点。
为了提升摩擦电纳米发电机“最大可能能量” （maximum possible energy） ，研究人员主要研究了人体运动的形式，而且他们将人体运动分为两种类型，分别由速度和弹力来代表。
为了理解运动所产生的能量和电子设备的能耗需求之间的对比，我们看看研究人员论文中的一张图：
（图片来源于：参考资料【2】）
（a）：各种电子设备例如平板电脑、智能手机、耳机、智能手表、运动手环、电子书等等的功率以及一分钟所消耗的能量。
（b）：人体（身高175厘米，体重68公斤）各部分的运动例如头部运动、手臂运动、前臂运动、小腿运动、腿部运动、打字以及足球，一分钟内所消耗的能量。
从上图中可以分析出：在一分钟内，摩擦电纳米发电机采集的人体运动能量，例如打字或者手臂摇动所产生的，可满足大部分商用电子设备和可穿戴设备能耗需求。
接下来，研究人员又分类研究了不同形式的运动所产生的能量情况，这里主要研究了以速度和弹力为代表的运动形式。为了突出重点，我们还是看两张图：
第一张图显示：基于不同的速度和弹力，会产生不同的动能和冲量，从而引起摩擦电纳米发电机最大可能能量 (EMP)的变化 。
（图片来源于：参考资料【2】）
第二张图显示：不同的速度和弹簧常数的情况下，每次运动输出的能量变化，红色的部分代表能量很高，蓝色的部分代表能量较低。
（图片来源于：参考资料【2】）
价值
首先，这项研究以具体实践研究的形式，证明了摩擦电纳米发电机能够利用人体运动的机械能，满足小型可穿戴设备和便携设备的能耗需求，可以作为其能量供应源使用。
同时，通过对于设备产生电力的机制仔细研究，他们也发现弹性，一般不作为计算摩擦电纳米发电机的最大可能能量值的因素，但是实际上却可以为提升这个值作出贡献。
以这项研究为契机，三星的研究人员准备继续深入地研究这项技术，推动其走向实际应用，进一步提升摩擦电纳米发电机的发电能力和供电时间。
对此，三星综合技术院的研究人员、论文的作者之一的 Hyeon-Jin Shin，如此评论：
“在实际应用中，优化摩擦电纳米发电机的输出能量，是未来的一项任务，因为实际的系统受到很多限制，例如阻抗匹配、频率控制、和结构的稳定性。然而无论如何，这项研究使我们更加深入理解了摩擦电纳米发电机，从而在有限的空间中获取更多的能量。”
参考资料
【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/can-motion-checking-your-smartwatch-charge-it
【2】Kyung-Eun Byun, Min-Hyun Lee, Yeonchoo Cho, Seung-Geol Nam, Hyeon-Jin Shin, Seongjun Park, "Potential role of motion for enhancing maximum output energy of triboelectric nanogenerator," APL Materials May, 10, 2017 (DOI: 10.1063/1.4979955) .
需要进行深入咨询和交流的朋友，请联系微信：JohnZh1984