哈工大科學家發明體溫發電機，未來可穿戴設備或將不再需要電池

說到清潔能源，我們都知道風能、水能以及太陽能等都可以用來發電，但你有沒有想過，利用人體體溫也能發電呢？

這並不是天方夜譚，4 月 29 日，《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜誌報告了一項創新成果，來自哈爾濱工業大學的科研小組成功開發出一種小型、靈活的裝置，該裝置可以將人體皮膚散發的熱量轉化為電能，且能實時為 LED 燈供電，而且測試表明，該裝置至少可經受 10000 次反覆彎曲，性能沒有明顯變化。

這項研究的通訊作者之一是哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授張倩，她的課題組目前主要研究分布在熱電半導體能源材料的電聲輸運調控、熱電器件的設計與效率提升，柔性可穿戴發電與製冷器件等。

張倩表示：「不要低估我們身體和環境之間的溫差 —— 雖然很小，但實驗表明它仍然可以發電，這是一個極具潛力的領域。」 研究小組希望這種 「體溫發電機」 在未來可以取代傳統電池，為可穿戴電子產品提供電力。

把皮膚熱能變電能

近年來，隨着個人醫療健康系統和物聯網的快速發展，越來越多的可穿戴電子產品（如生物傳感器、智能手錶、柔性發光器件、柔性顯示器和電子皮膚等）進入了日常生活，這些可穿戴電子設備的功耗通常為 100 納瓦（nW）到 10 毫瓦（mW）不等，由一個微小的電池包模塊來供電，電量耗盡了可以循環充電，如想要提升續航時間，要麼去改進電池和低功耗系統的性能，要麼發明一種全新的供電方式。

作為傳統電池的一種極具吸引力的替代品，熱電發電機（TEGs）擁有無工作流體、無運動部件、運行安靜、可靠性高、便於攜帶等獨特性能，有望打造出一種創新解決方案。

但傳統的 TEGs 材料是剛性的，與可穿戴電子設備不好兼容，因此，設計和製造柔性熱電發電機（flexible TEGs）成了很多科研團隊的目標。

多年來，張倩和團隊一直致力於設計熱電發電機，這項最新發表的研究成果包含了四大亮點：

1、用 Mg3Bi2 基熱電材料製作了柔性熱電發電機（FTEG）；

2、具有超低導熱係數的多孔聚氨酯（PU）基體提高了輸出電壓；

3、設計了具有高效傳熱表面的柔性印刷電路板（FPCB）電極；

4、該 FTEG 器件具有高功率密度和高可靠性。

經過多種材料組合測試和方案改進，研究人員最終獲得一種接近預期的 FTEG 設計，當環境溫度為 289k（空氣速度為 1.1m/s）時，在人的手臂上顯示出每平方厘米 20.6 微瓦（W）的峰值功率密度，在溫差為 50k 時顯示出每平方厘米 13.8 毫瓦（mw）的峰值功率密度。在彎曲半徑為 13.4 毫米的情況下，10000 次彎曲循環後沒有顯著變化（小於 1.4%）。

最後，將尺寸為 28.8mm×115.2mm×2.5mm 的 FTEG 連接到人的手臂上，成功點亮了一盞 LED 燈，這表明所製備的 FTEG 有可能成為日常生活中某些可穿戴電子設備的實時電源。

圖｜FTEG 可穿戴實時電源，可連續將人體皮膚的熱能轉化為電能（來源：Cell Reports Physical Science）

製備工藝與測試

熱電（thermoelectric，TE）材料方面，研究人員在 N 型鎂鉍材料（Mg3Bi2）的基礎上進行了改進升級，並採用直接球磨和熱壓工藝製備出了質量更高的 TE 支腿。

如下圖所示，先將 FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上，再由激光標記去除多餘的 PI 膜（聚酰亞胺薄膜），之後，把 n 型和 p 型 TE 支腿交替布置在陶瓷模板中，將 TE 模塊從陶瓷基板上剝離並用 PU 填充。

圖｜FTEG 製造工藝示意圖（來源：Cell Reports Physical Science）

此外，由於大部分體基 FTEG 是以硅橡膠為基體，特別是聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體製備的，其表面能較低，很難與無機材料結合。在實驗中，研究人員尋求採用一個更好的柔性聚合物矩陣，經測試發現，相對於 PDMS 材料，聚氨酯（PU）具有更強的附着力，特別是，他們有意創建了一個多孔聚氨酯基質，進而實現了優越的拉伸性和壓縮性。這種多孔 PU 還具有較低的密度，使整個設備重量更輕，佩戴舒適。

由於多孔結構阻擋了空氣對流，基體的 k 值遠低於 TE 支腿的 k 值，因此當人體熱量通過 FTEGs 時，相同高度下基體的溫度低於 TE 腿的溫度。熱量隨後將從 TE 支腿或頂部和底部電極橫向轉移至基體，結果就是，矩陣的 k 值很低，會降低整個 TE 模塊的總 k 值，從而導致 FTEG 內的溫差增大。

圖｜PDMS 基質與多孔 PU 基質的性能比較（來源：Cell Reports Physical Science）

在最終的實驗成品中，研究人員設計出了一種具有 18 對 TE 支腿的裝置，該裝置的總電阻為 230 毫歐姆（mΩ） ，由 TE 腳電阻（210mΩ）和接觸層和電極電阻（20mΩ）組成。

基於賽貝克效應，輸出電壓會隨着溫差的增加而成比例增加，輸出功率密度是在 10–50K 的不同溫度下以 10K 的間隔獲得的，由產生的功率除以 FTEG 設備模塊的總面積計算得出。研究人員最終測得，在 289K 的環境溫度下，FTEG 可提供高達每平方厘米 20.6 微瓦（W）的電壓，測量的開路電位為 14.9 毫伏（mV），電壓密度為每平方厘米 18.0 毫伏（mV）。

圖｜器件的可靠性（來源：Cell Reports Physical Science）

此外，研究人員還採用 FPCB 工藝製備了銅（Cu）/ 聚酰亞胺（PI）複合電極，Cu/PI 複合電極具有優越的耐久性。

一般銅膜電極在半徑為 1mm 處彎曲 10 次後就會破裂，但 Cu/PI 複合電極在不同彎曲方向以及從 40mm 到 10mm 的不同彎曲半徑上都表現出極好的可靠性，在一項測試中，以 13.4 mm 的半徑彎曲 10000 次後，沒有發現明顯的性能變化。

圖｜FTEG 在人體手臂上的輸出性能（來源：Cell Reports Physical Science）

最後，使用高度集成的 DC/DC 轉換器，具有電源供應和電源管理的集成自供電電子系統，可通過捕獲人體手臂的熱能，持續向 LED 小燈供電，實現了可穿戴電子實時電源的應用。

結語

研究人員在結論中展望，這是一種低成本和可規模製備的 FTEG 穿戴，下一步，將根據功率要求和環境條件設計具有不同填充因子的 FTEG，比如集成其他功能的電子元件：脈衝測試、肌肉氧測試或無線傳輸等。

不過話說回來，這種可以將人體皮膚散發的熱量轉化為電能的設備固然很 「黑科技」，但原型產品看上去似乎並不小巧，怎麼與當前越來越輕便、精密的可穿戴設備融合進行商業化應用，可能還有一段路要走。

基於這種貼在皮膚上就能發電的黑科技，未來的想象空間可能非常有趣。近年來，已有不少科學家開發出了先進的電子皮膚技術，電子皮膚不僅能顯示信息，而且還具備觸覺傳感、測量血壓、脈搏等功能，兩類技術結合起來勢必會碰撞出新的火花。