事實(shí)上，將體溫發(fā)電與可穿戴設(shè)備相結(jié)合直至今天仍是一項(xiàng)創(chuàng)新之舉。

1998 年，日本著名制表公司精工（SEIKO）曾發(fā)布過(guò)一款由體溫供電的石英表 Seiko Thermic，做出了將熱電技術(shù)應(yīng)用于手表的一次較早嘗試——不過(guò)在一顆普通紐扣電池就能支持石英表 1-3 年續(xù)航的年代，這款產(chǎn)品即便令人眼前一亮，最終也并未獲得商業(yè)成功。

后來(lái)在 2016 年，硅谷初創(chuàng)公司 Matrix Industries 針對(duì)智能手表的續(xù)航問(wèn)題，在眾籌網(wǎng)站 Indiegogo 上發(fā)布了世界上第一款純熱電驅(qū)動(dòng)的智能手表 Powerwatch，引發(fā)不少關(guān)注。

事實(shí)上，將體溫發(fā)電與可穿戴設(shè)備相結(jié)合直至今天仍是一項(xiàng)創(chuàng)新之舉。

最近，一組哈工大研究人員就開(kāi)發(fā)出了一種小型可穿戴設(shè)備，可將人體皮膚發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)化為電能。

把設(shè)備戴在手腕上，可以實(shí)現(xiàn)為 LED 燈供電。

2021 年 4 月 29 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）雜志，題為 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一種基于 Mg3Bi2 熱電模塊的可穿戴實(shí)時(shí)電源）。

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柔性「體溫發(fā)電機(jī)」

先來(lái)了解一下何謂「熱電技術(shù)」。

在兩種金屬構(gòu)成的回路中，如果金屬結(jié)點(diǎn)處溫度不同，處在較溫暖區(qū)域的電子受熱移動(dòng)至較冷的區(qū)域，該回路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差（電壓），在連接它們的導(dǎo)線上產(chǎn)生電流。

簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)技術(shù)就是利用熱電裝置的溫度差產(chǎn)生電壓。

由于電流較弱，熱電技術(shù)通常只能為能量需求不大的設(shè)備供電，而可穿戴設(shè)備基本部件的功耗一般在 100nW（納瓦）到 10mW（毫瓦）之間（如下圖所示），基于此，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和人體植入裝置將是絕佳的選擇。

在研究人員看來(lái)，「熱電發(fā)電機(jī)」（Thermoelectric generators，以下簡(jiǎn)稱 TEG）為可穿戴電子設(shè)備供能在未來(lái)將是一項(xiàng)很有前景的應(yīng)用。

TEG 將是傳統(tǒng)電池的一個(gè)很好的替代，原因在于其獨(dú)特的特性，比如無(wú)工作流體、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、操作過(guò)程安靜、可靠、便攜等等。

正如研究人員所言：

TEG 可以收集體溫這樣的分散式低品質(zhì)熱量，使之轉(zhuǎn)化為電能。

但值得關(guān)注的是，傳統(tǒng)的剛性 TEG 難以兼容可穿戴產(chǎn)品，因此研究人員的目標(biāo)便是設(shè)計(jì)一種柔性 TEG（flexible TEG，即 FTEG）。

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實(shí)時(shí)為 LED 燈供電

材料方面，研究人員設(shè)計(jì)的 FTEG 包括 p 型碲化銻（Sb2Te3）和 n 型鉍化鎂（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基體和柔性印刷電路板（FPCB）電極。

n 型 Mg3Bi2 基材料被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是近室溫應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料。另外據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》報(bào)道：

市面上的 TEG 在很大程度上依賴于稀有金屬碲，而新設(shè)計(jì)用鎂基材料部分取代了碲基材料，這可以降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。

下圖展示的是材料的電阻率（ρ）、塞貝克系數(shù)（S，即半導(dǎo)體材料的溫差電動(dòng)熱）、功率因數(shù)（PF ）、熱導(dǎo)率（κ）和 ZT（品質(zhì)因數(shù)）值。

具體制造過(guò)程則是：

將 FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上；

用激光標(biāo)記去除多余的 PI 膜（聚酰亞胺薄膜）；

把 n 型和 p 型熱電支腿交替布置在基板上；

將熱電模塊剝離基板，用 PU 填充。

最終數(shù)據(jù)表明，這款 FTEG 設(shè)備具有較低的熱旁路和高效的熱接觸面，在環(huán)境溫度為 16 攝氏度（氣流速度 1.1 m/s）時(shí)將設(shè)備放在手臂上，峰值功率密度約為 20.6 μW/cm2；在溫差 -223.15 攝氏度時(shí)，峰值功率密度為 13.8 mW/cm2。

不僅如此，該設(shè)備在 13.4 mm 的彎曲半徑下承受 10000 次彎曲循環(huán)后無(wú)顯著變化（小于 1.4%）。

研究人員將尺寸為 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 設(shè)備放置在手臂上，成功點(diǎn)亮了 LED（發(fā)光二極管）燈——這表明該 FTEG 設(shè)備具有為可穿戴設(shè)備提供實(shí)時(shí)電源的潛力。

編輯：jq