加州理工大学高伟等开发出人体动能能量收集系统

廉价可穿戴传感器的出现，可以监测心率和体温，以及血糖和代谢副产物的水平，这使得研究人员和卫生专业人员能够以前所未有的方式监测人类健康。但和所有电子设备一样，这些可穿戴传感器都需要电池。电池是一种选择，但不一定是理想的，因为它们可能体积大、重量重、并且电量有限。

加州理工学院的高伟是安德鲁和佩吉·切恩医学工程系的医学工程助理教授，他一直在开发这些传感器以及利用人体自身为其提供动力的新方法。此前，他发明了一种传感器，可以监测人体汗液中的健康指标，由汗液自身提供动力。

如今，他们发明了一种新的动能传感器，可以通过人体移动进行能量收集。

这种能量收集是用一层薄的夹心材料（聚四氟乙烯、铜和聚酰亚胺）粘在人的皮肤上完成的。当人移动时，这些材料片与铜和聚酰亚胺制成的滑动层摩擦，产生少量的电。这种效应被称为摩擦电学，也许最好的解释是一个人在走过铺有地毯的地板，然后触摸金属门把手后可能受到的静电电击。

“我们的摩擦发电机，也叫纳米发电机，有一个定子，固定在躯干上，还有一个滑块，固定在手臂内侧。在人体运动过程中，滑块在定子上滑动，同时产生电流，摩擦生电从概念上讲，这不是什么新鲜事。”

高说，团队正在研究如何制造商用纳米发电机。

他说：“我们使用的不是昂贵的材料，而是商用的柔性电路板。”这种材料价格便宜，非常耐用，而且在很长一段时间内机械性能良好。”

纳米发电机不会产生大量电能；事实上，一个面积为100平方米的装置才能为一个40瓦的灯泡供电。然而，高的可穿戴传感器的功耗要求很低，系统将产生的电能储存在电容器中，直到有足够的电荷来读取传感器的读数，然后通过蓝牙将数据无线发送到手机上。一个人移动得越多，传感器收集数据的频率就越高。但即使这个人相当久坐不动，传感器最终也会积累足够的能量来工作。

高伟最终希望通过多种方法产生的能量来运行他的可穿戴传感器。例如，一个可穿戴设备可能使用汗液产生的电能、摩擦发电机和小型可穿戴太阳能电池板共同供电。

题为“利用人体动能实现无电池驱动的无线传感器”的研究杂志上。合著者为前医学工程博士后余松，医学工程研究生季红敏（19岁）和杨依然（18岁），医学工程博士后尤瑜（均为加州理工学院学生）；以及来自北京大学的王浩斌和张海霞。