Microsystems & Nanoengineering
【综述】基于新兴能量采集技术的便携式可穿戴自供能系统
近年来，便携式和可穿戴设备发展迅猛，为人们的生活提供了诸多便利。与此同时，柔性电子技术、大数据以及人工智能技术的发展使得便携式和可穿戴设备如虎添翼，推动其朝着柔性化、集成化以及智能化方向发展，并拓展出健康检测、人机交互以及物联网等领域的丰富应用。现阶段，能源供应是限制便携式和可穿戴设备走向灵活化和集成化应用的主要障碍。自供能技术的出现则为便携式和可穿戴设备的能源供给问题提供了解决方案。 近日，北京大学张海霞教授研究团队从典型的能量采集技术入手，介绍了用于传感应用的便携式和可穿戴自供能系统以及拥有执行和驱动功能的典型自供能系统，并展示了在信息处理和人工智能技术的支持下，便携式和可穿戴自供能系统在人机交互以及人工智能领域的多样化应用。该工作发表于Microsystems & Nanoengineering，张海霞教授博士生徐晨为论文第一作者。
图1 单一方式的便携式和可穿戴能量采集设备
可以用于便携式和可穿戴设备能量供给的能量来源非常广泛，例如人体自身的机械能、热能、化学能以及环境中的太阳能等。不同的能量形式适用于不同的能量采集技术。图1中展示了用于机械能采集、热能采集以及生物化学能采集的典型便携式和可穿戴能量采集设备。
图2 复合便携式和可穿戴能量采集设备
在单一形式的能量采集技术基础上，集成多种能量采集方式的符合能量采集系统具有更高的能量采集效率以及更普适的应用场景。
图3 便携式和可穿戴自供能传感系统
便携式和可穿戴自供能传感系统可以作为人体感官的扩展形式，赋予人类更强大的环境感知能力。例如，图2中展示了可以用于压力、应变、湿度、血糖以及温度等多种物理、化学以及生理指标传感的便携式和可穿戴自供能传感系统。
图4 自供能驱动系统
自供能驱动系统能够在一些场景中辅助人类完成多样化的复杂操作。图4中总结了基于电润湿、摩擦电、生物燃料电池等多种原理的自供能执行系统在物体输运、辅助治疗、药物输送、智能窗户以及微机器人控制等方面的应用。
图5 作为人机交互接口的便携式和可穿戴自供能系统
在大数据以及人工智能时代，电子设备已经不再局限于单一的传感或者执行功能。智能化是可穿戴电子设备不可避免的发展趋势。图5中总结了有代表性的作为新型人机接口的便携式和可穿戴自供能系统。
图6 机器学习辅助下的便携式和可穿戴自供能系统
以机器学习为代表的人工智能技术为可穿戴电子设备的发展注入了活力，使可穿戴电子设备实现更复杂，更精确的功能。图6展示了在机器学习技术辅助下，便携式和可穿戴自供能系统在智能控制、智能识别等场景中的应用。
图7 便携式和可穿戴自供能系统的总结和展望
最后，文章对便携式和可穿戴自供能系统的发展进行了总结和展望。在真正走向大规模实际应用之前，便携式和可穿戴自供能系统还需解决如下关键问题：1、大多数可穿戴和便携式自供能系统均基于柔性材料，在长期运行过程中，器件性能会出现衰退。因此，需要从材料和结构设计入手，提高长期工作下系统的稳定性。2、目前，便携式和可穿戴式自供能设备主要是展示性的实验室样品。由于没有便携式和可穿戴式自供能设备的标准化制造工艺，因此不同设备之间的性能无法实现完全一致。因此，需要考虑不同设备之间的性能校准问题，或者为可大量生产的便携式可穿戴设备开发标准化工艺流程。3、集成了多种能量采集方法的复合合式能量收集技术最有可能充当未来自供能系统的能量来源。然而，通过不同的能量采集方法转换的电能在频率，幅度和波形等方面存在较大差异，因此，开发适合于不同能量收集方法的能量管理技术成为未解决的关键问题。此外，越来越多的功能模块被集成到自供能系统中。我们需要合理设计能量管理电路，以提高能量转换效率并实现各个功能模块之间的能量分配。
张海霞教授课题组网站
http://scholar.pku.edu.cn/alice
文章信息
Xu, C., Song, Y., Han, M. et al. Portableand wearable self-powered systems based on emerging energy harvestingtechnology. Microsyst Nanoeng 7, 25 (2021).
URL
https://doi.org/10.1038/s41378-021-00248-z