人体「发电厂」？稳定输出5个月，轻松点亮100个LED灯

来源：学术头条

当前，随着智能手机的产品创新逐渐走弱，以及市场容量逐渐接近饱和，智能可穿戴电子设备成为了智能终端产业的新热点。

其中，柔性可穿戴电子设备，便是该领域内的前沿研究方向之一。

但是，由于柔性可穿戴电子设备的设计和功能，一直受能量来源和所用材料的影响，市面上并没有出现太多令人惊艳的产品。

如果我们可以「扔掉」笨重的电池，利用自身能量为可穿戴电子设备供电，是不是很酷炫？

如今，这一想法或许正在成为事实。

近日，来自新加坡南洋理工大学和清华大学的科研团队，就联合开发出了一种可伸缩的防水「织物」，这种织物可以将人类身体运动产生的能量直接转化为电能。

在一项概念验证实验中，研究团队在一块 3 cm*4 cm 的实验材料上轻敲，产生的电能足以点亮 100 个 LED 灯。

而且，经洗涤、折叠和褶皱后，织物的性能也不会出现下降，甚至可以在长达 5 个月的时间内，保持稳定的电力输出。

研究团队认为，这一新型织物具备成为智能纺织品和可穿戴电源的潜力。

相关研究论文以「Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting」为题，已发表在科学期刊 Advanced Materials 上。

一种新的替代能源

新型织物是一种能量收集装置，它能将人类日常生活中由最微小的身体运动产生的振动转化为电能。

据论文描述，这种织物的一个关键成分是一种聚合物，当被压制或挤压时，这种聚合物能将机械应力转化为电能。

新型织物由可伸缩的氨纶（spandex）作为基础层，且与类似橡胶的材料集成，以保持它的坚固、柔韧性和防水性。

「人们曾多次尝试开发可以从运动中获取能量的面料或服装，但一个巨大的挑战是，如何保证它们被多次洗涤后功能不会退化、同时又能保持良好的电力输出。」论文的通讯作者、南洋理工大学教授 Lee Pooi See 表示。

在此次工作中，研究团队证实，原型织物在被洗涤和揉皱后仍然可以很好地工作，可以编织在 T 恤上或集成到鞋底，从人体最小的动作中收集能量，将电力输送到移动设备。

新型织物通过两种方式发电：当它因被按压（pressed）或压扁（squashed）而出现压电现象（piezoelectricity）时，以及当它与其他材料（比如皮肤或橡胶手套）摩擦产生摩擦电效应时。

为了制造这一原型织物，科学家们首先通过丝网印刷一种由银和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）组成的「墨水」，制造出一种可拉伸的电极。

然后，这个可拉伸的电极被连接到一块纳米纤维织物上，其组成成分分别为 PVDF-HPF（一种在压缩、弯曲或拉伸时产生电荷的聚合物）和无铅钙钛矿（一种在太阳能电池和 LED 领域很有前途的材料）。

研究团队表示，在 PVDF-HPF 中嵌入钙钛矿可以增加原型织物的电输出能力，而且无铅钙钛矿是一种更环保的选择。PVDF-HPF 不仅赋予钙钛矿特殊的机械耐久性和灵活性，也对钙钛矿起到了额外的保护层，增加了其机械性能和稳定性。

再也不需要电池了？

为了演示他们的原型织物是如何工作的，研究团队展示了一只手在一块 3 cm*4 cm 的织物上连续轻敲，如何点亮 100 个 LED 灯，或为各种电容充电。

结果显示，新型织物表现出了良好的耐久性和稳定性——其电性能在洗涤、折叠和褶皱后不会恶化，它还继续产生连续稳定的电力输出长达 5 个月。

此外，新型织物可以被附着在胳膊、腿、手、肘部以及鞋垫上，利用人类一系列运动产生的能量，而且不会对运动产生影响。

「尽管电池容量有所提高，电力需求有所减少，可穿戴设备的电源仍然需要经常更换电池。我们的结果表明，我们的能量收集原型织物可以利用来自人类的振动能量，从而潜在地延长电池的寿命，甚至构建自供电系统。据我们所知，这是第一个基于钙钛矿的混合能源设备，它稳定、可拉伸、透气、防水，同时能够提供出色的电力输出性能。」Lee 表示。

当前，研究团队正在研究如何利用相同的织物来收集不同形式的能量。

参考资料：
https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity
https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042
https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_developed_a_stretchable_and/
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm