美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)(North Carolina State University)的研究人員正利用納米技術(shù)，為超低功耗傳感器打造能量采集與儲(chǔ)存設(shè)備，這項(xiàng)獲得美國(guó)聯(lián)邦政府資金贊助的研究案，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不需電池、以人體發(fā)電的可穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。

 

北卡羅來納州立大學(xué)旗下的整合式傳感器技術(shù)先進(jìn)自供電系統(tǒng)中心(The Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors Technologies，ASSIST)正在開發(fā)兩種傳感器：一是用于生物電子、生物化學(xué)以及聲學(xué)監(jiān)測(cè)的非侵入式健康傳感器，另外一種則是量測(cè)氣體、顆粒物質(zhì)以及溫度的環(huán)境傳感器；研究的目標(biāo)是針對(duì)環(huán)境如何導(dǎo)致生理信號(hào)的改變收集更精確的數(shù)據(jù)，以及開發(fā)多模式能量采集設(shè)備。

 

ASSIST的產(chǎn)業(yè)聯(lián)絡(luò)窗口Tom Snyder曾在今年初的國(guó)際消費(fèi)性電子展(CES)上，展示了一款氣喘監(jiān)測(cè)器，是透過用戶的呼吸來啟動(dòng)與供電：“如果我們知道暴露在臭氧中，監(jiān)測(cè)心電圖(EKG)以及知道身體的運(yùn)動(dòng)──氣喘的是可以在發(fā)生的24小時(shí)以前被預(yù)測(cè)到的；”他表示，目前這些原則正在進(jìn)行研究。

 

那些可穿戴傳感器必須要是小型化、低功耗，而且定期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；為此ASSIST與其研發(fā)伙伴正在開發(fā)多模能量設(shè)備，結(jié)合例如熱電(thermoelectric)以及動(dòng)能(kinetic energy)等元素。而ASSIST將在下個(gè)月舉行的年度成果檢閱上，展示一款臂帶式EKG監(jiān)測(cè)設(shè)備，能利用熱電能量無線傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)收集器。

 

“如果我們要做縱向的長(zhǎng)期研究，我們不會(huì)希望資料收集中斷；因此如果你能找到一種自供電的方式，就能收集到更多、更完整且持續(xù)的資料；”Snyder指出，當(dāng)可穿戴式設(shè)備變得常見，電力會(huì)是一個(gè)很大的問題：“購(gòu)買那類設(shè)備的人們會(huì)使用一段時(shí)間，然后它們?cè)诹鶄€(gè)月之內(nèi)有大部分最后會(huì)被丟在抽屜里或是被拋棄，就是因?yàn)榕c電池相關(guān)的麻煩。”

 

熱電材料是導(dǎo)電的，但能隔熱；如臂帶式設(shè)備的案例是將體溫轉(zhuǎn)成電力；如果材料的某一面溫度比貼著皮膚的那一面低，溫度差就能驅(qū)動(dòng)電壓用以收集能量。ASSIST的團(tuán)隊(duì)也在針對(duì)軟性、納米級(jí)材料研究新的熱同步(heat syncing)技術(shù)，例如具備可拉伸電極，能更貼合于皮膚或從人體汲取更多的熱。

 

 

ASSIST 開發(fā)以熱能轉(zhuǎn)成電能的健康傳感器
 

 

此外ASSIST采用壓電材料采集動(dòng)能，目標(biāo)是在非常低的電壓下運(yùn)作；Snyder指出，Seiko的動(dòng)能手表是在內(nèi)部有一個(gè)重量，能轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)來產(chǎn)生電流與電力──ASSIST希望能利用此原則，在壓電組件加上一個(gè)重量，來采集旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。

 

Snyder表示，以上兩種能量采集方法都有實(shí)際應(yīng)用、也能降低能源成本；舉例來說，醫(yī)療專業(yè)人員可用能量采集器來監(jiān)測(cè)EKG或血糖值，而以動(dòng)能采集為主的設(shè)備則能利用在資產(chǎn)追蹤或是運(yùn)輸?shù)葘?duì)于監(jiān)測(cè)產(chǎn)品震動(dòng)有幫助的地方。

 

ASSIST打算開發(fā)一個(gè)完整的系統(tǒng)，需求的電力低于1mW (milliwatt)；Snyder表示：“最好是只有幾微瓦(microwatts)，然后我們就能采集足夠的能量，讓外觀非常小型化的系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)作。”他有信心假以時(shí)日，能量采集技術(shù)甚至能收集到比需求量更多的電能，例如賓州大學(xué)正在進(jìn)行研發(fā)的超級(jí)電容，是傳統(tǒng)電容與鋰離子電池的混合體：“那些超級(jí)電容具備創(chuàng)世界紀(jì)錄的能量密度以及低泄漏電流。”

 

另外 ASSIST 也正在與密歇根大學(xué)(University of Michigan)合作開發(fā)一種客制化射頻設(shè)備，目標(biāo)是讓其耗電量比藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技術(shù)低一千倍；目前研究人員正在測(cè)試各種可能的低功耗技術(shù)，包括射頻、傳感器與其他硬件。