新型柔性可穿戴热电发电机：效率更高、性能更好！
导读
柔性和自供电，是目前可穿戴设备的技术前沿和发展方向。最近，美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员为了提高柔性可穿戴设备中热电发电机的性能和效率，采用EGaIn 液态金属互连线连接温差电元件，这些互连线不仅电阻很低，还具有拉伸和自我修复的特性。
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背景
时下，可穿戴设备越发流行，其功能也更加丰富多彩。笔者也曾为大家介绍过多款颇具特色的可穿戴设备，例如智能手环、手表、眼镜、头盔等等，它们可应用于健康监测、疾病预防、运动监测、环境监测、游戏娱乐、AR/VR、人机交互、辅助驾驶等方面。
柔性化是当今电子产品一个重要发展方向，可穿戴设备当然也不例外。柔性可穿戴设备具有弹性、韧性、拉伸性、自修复性等优势，与皮肤贴合的更好，佩戴舒适度更佳。下面两幅图片来自笔者之前介绍过的相关柔性可穿戴产品，举例为大家展示一下。
（图片来源于：东京大学）
（图片来源于：John A. Rogers / 西北大学）
除了通过柔性提高用户穿戴舒适度，可穿戴设备还有一个重要痛点，就是电池。续航时间短、反复充电等问题都非常影响用户体验。对此，笔者也一直十分关注。能量采集和供应，是可穿戴设备乃至整个电子产品的研究前沿和重点，之前笔者也介绍过几种实现设备自供电的能量采集方案。
《新型涂层将织物变电路：未来将让衣服实现自供电》一文中介绍过美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的科研人员开发出一种透气、柔韧、不含金属的电极。当你穿上具有这种电极的衣服，通过人体运动就能产生电能，让衣服闪闪发光。
三种不同的织物，将拉扯或者轻拍的动作产生的能量转化为电能。
（图片来源于：马萨诸塞大学安姆斯特分校）
《新型纺织品利用太阳能和风能为可穿戴电子产品供电》一文中介绍过美国乔治亚理工学院的研究人员开发出一种新型纺织品，它结合了两种电能产生方式：将太阳能或者动能转化为电能。除了利用太阳能，其中还设计到一个重要原理：摩擦起电效应，即通过旋转、滑动、振动等物理运动所引起的摩擦起电效应产生电能。
（图片来源于：乔治亚理工学院）
《摆脱电池！？柔性纳米设备利用人体运动发电》一文中，介绍过美国密歇根州立大学研究团队发明出一种低成本的薄膜设备铁电驻极体纳米发电机，英文简称：FENG。原理就是利用人体运动施加压力，在设备形变后，产生出大量电能。
(图片来源于：密歇根州立大学)
除了上述的能量采集方式，还有一种实现设备自供电的能量采集方式也非常重要，它就是温差发电。
这种方式能让可穿戴设备利用人体热量发电，温差发电的基本原理是“泽贝克”效应，即两种不同的金属连接成闭合回路时，如果两个连接点的温度不一样，就会产生微小的电压。
然而，可穿戴设备要实现温差发电，离不开一种非常重要的设备，就是"热电发电机"(TEGs)，它可以持续地利用身体与周围环境之间的温度差异发电。
（图片来源于：北卡罗莱纳州立大学）
创新
通过上述背景介绍，相信大家对于柔性可穿戴设备、自供电以及TEGs 都有了一定的了解。然而，今天要介绍的相关创新技术就是关于热电发电机(TEGs)的。从用户体验和舒适度的角度来说，TEGs作为进行能量采集的可穿戴设备，需要与人体发生接触，所以柔软、轻薄、弹性就显得非常重要。
可是，迄今为止所报告的柔性TEGs设备，其性能和效率都远远落后于刚性TEGs设备。原因主要是温差电材料效率较低，电或热的寄生损失， 以及由于合成技术限制了热电腿的尺寸。
然而，美国北卡罗莱纳州立大学的工程师们的创新研究旨在解决上述问题，他们采用了EGaIn 液态金属互连线连接温差电元件，这些互连线不仅电阻很低，还具有拉伸和自我修复的特性。相关论文发表于《应用能源》杂志，研究人员也为此申请了专利。
（图片来源于：Mehmet Ozturk / 北卡罗莱纳州立大学）
技术
Ozturk 称，他和他的同事们想要在柔性包装中，采用刚性设备使用过的最佳的温差电材料，这样制造商将无需为制造柔性设备再开发新材料。
所以，这项创新所面临的主要技术挑战变成了，互连线采用什么样的材料。在柔性能量采集器中，互连线连接着这些温差电元件。所以，互连线不仅要求可靠性强，而且电阻还要低。
Ozturk 称，他们采用液态金属镓和铟，组成一种普通的、无毒的合金“EGaIn ”，用于连接热电腿。这些连接线的电阻很低，这一点非常重要，因为产生的能量与电阻成反比：电阻越低意味着能量越高。
EGaIn 液态金属互连线 是这项创新的关键促成因素。它不仅具有极低的电阻，而且具有拉伸性和自修复性，这些对于柔性温差电材料都是必需的。液态金属也具有自修复性，即使万一连接线断开，液态金属将使其重新连接，让设备重新高效工作，这点让刚性设备望尘莫及。
（图片来源于：Mehmet Ozturk / 北卡罗莱纳州立大学）
价值
北卡罗莱纳州立大学的教授，研究论文的作者之一 Mehmet Ozturk 称，这种柔性器件具有良好的接触电阻和皮肤接触体验，同样也考虑到了设备佩戴者的舒适度和人体工学因素。
研究结果显示这种新方案能够最终生产出柔性的TEGs，性能和效率可以挑战刚性的TEGs，为实现自供电的可穿戴设备又开辟了一条新途径。
未来
未来，Ozturk 称他们将致力于采用进一步消除寄生电阻的材料和技术，提升这些柔性设备的效率。
参考资料
【1】https://news.ncsu.edu/2017/06/flexible-wearable-electronic-device/
【2】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261917307420
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