導讀
最近， 美國加州大學聖達戈分校的工程師團隊開發出一種可伸縮的燃料電池， 它可以從汗液中提取能量， 為LED和藍牙適配器之類的電子產品供電。 未來， 它有望為一系列的可穿戴設備供電。
關鍵字
柔性、可穿戴技術、電池
背景
可穿戴設備， 是指可以穿戴在身上， 或者整合到衣服和配飾中的一種可擕式的電子設備。 目前， 可穿戴設備已經成為業界重點關注的又一熱門領域， 無論是國外的蘋果、穀歌、微軟， 還是國內的華為、小米、魅族， 科技巨頭們都紛紛推出了各自的可穿戴電子產品。
這些可穿戴產品包含：智能織物、智能皮膚、智能手環、智能手錶、智能貼片、智能手套等。
隨著技術的發展， 柔性電子為可穿戴設備注入了新的活力， 使其一改之前硬梆梆、笨重的形象， 變得更加輕薄、可彎曲、可拉伸， 從而使用戶感到更舒適、更便攜、更耐用。
然而， 為了突破可穿戴設備的關鍵瓶頸：電池。 各種自供電技術紛紛出現， 例如利用太陽能、人體運動、環境熱量等為可穿戴設備供電。 但是， 目前這些技術大多處於實驗室階段， 離大規模商用尚有一段距離。
那麼， 我們還是重新聚焦於電池本身， 尋找新的突破吧。 筆者介紹過與電池本身相關的一系列創新技術進展，
賓漢姆頓大學和紐約州立大學開發的一種存在于一張紙上， 由細菌提供能量的電池。
伊利諾大學開發的一款帶有微型太陽能充電單元的電池， 它不僅具有很好的彈性，
加州大學聖地牙哥分校開發的可充電的鋅電池， 它具有柔性、可伸縮、可印刷等特點， 未來有望用於穿戴設備、感測器和其他電子設備等產品。
創新
今天介紹的創新技術也是和可穿戴設備的電池相關。 最近， 美國加州大學聖達戈分校的工程師團隊開發出一種可伸縮的燃料電池， 它可以從汗液中提取能量， 為LED和藍牙適配器之類的電子產品供電。
研究人員將他們的科研成果發表在六月份的《Energy & Environmental Science》雜誌。 在這篇論文中， 他們描述了他們是如何將生物電池連接到定制的電路板上， 以及演示了當一個人穿著該設備在一個健身腳踏車上鍛煉時， 設備能為LED供電。
這項研究的領導者是加州大學聖達戈分校可穿戴感測器中心的主任 Joseph Wang 教授。 他與電氣工程教授、中心的合作主任 Patrick Mercier， 以及納米工程教授 Sheng Xu 展開了合作， 他們都是加州大學聖達戈分校雅各工程學院的一員。
技術
得益于化學、先進材料和電子介面等領域知識的交叉融合，加州大學聖達戈分校的工程師們才取得如此重大的突破。為了讓設備具備足夠的可伸縮性和電能，他們一直努力耕耘，直到研發出這種表皮生物燃料電池。他們使用了光刻技術和絲網印刷技術，製造出三維碳納米管基的陰極和陽極陣列，為可伸縮的柔性電子設備奠定了基礎。
很多朋友都會關心一個問題：生物燃料電池是如何通過汗水獲取能量的？ 簡單說，生物燃料電池具有一種酶，它能氧化人體汗液中存在的乳酸以產生電流，從而將汗水變成了一種能量源。
從技術上說，這項創新還有一個非常重要的關注點，就是“橋和島”的結構。為了相容於可穿戴設備，生物燃料電池需要變得柔性和可伸縮。所以，工程師們決定使用Xu的研究組開發的結構，他們稱之為“橋和島”。
從根本上說，電池由一排圓點組成，每個圓點之間由彈簧形狀的結構相互連接。一半的圓點組成了電池的陽極；另外一半則組成了陰極。這種彈簧狀的結構可被拉伸和彎曲，從而使得電池具有柔性，並且不破壞陽極和陰極。首先，這種“橋和島”的結構的基底通過光刻技術進行製造，由金製成。第二步，研究人員使用絲網印刷技術，將生物燃料材料層沉積到陽極點和陰極點的頂部。
研究人員面臨的最大的技術挑戰就是：增加燃料電池的能量密度，也就是讓單位面積可以產生更多的能量。增加能量密度是提高燃料電池性能的關鍵。電池產生的能量越多，它們就越強大。
為了提高能量密度，工程師們採用絲網印刷的方法，在陽極和陰極的頂部製作了一個三維碳納米管結構。該結構讓工程師們能為每個陽極點載入更多的酶，這種酶能在陰極點處，與乳酸和氧化銀髮生反應。
生物材料電池與 Mercier 研究小組製造的定制電路板相連接。這種電路板是一個DC/DC的轉換器，能夠使得燃料電池產生的電力變得平穩，從而消除由於用戶汗水數量不穩定而帶來的波動，讓它變成具有恒定電壓的穩定電源。
研究人員為四個受試者配備了該生物燃料電池和電路板的組合，讓他們在健身腳踏車上鍛煉。受試者能夠為一盞藍色LED燈供電約4分鐘。
價值
這項技術結合了現有的製造技術，設計了獨特的結構確保電池的柔性和可伸縮性，採用人體上很容易獲取的汗水作為生物燃料產生電能。這種生物燃料電池與現有的可穿戴的生物燃料電池相比，單位表面積產生的能量要高出10倍。它為可穿戴設備的供電又提供了一種新的方式。
未來
未來的研究工作將主要在兩個方面。首先，在陰極處使用的氧化銀是光敏的，且隨著時間推移會發生退化。從長遠來看，研究人員需要找到一種更加穩定的材料。
另外，人體汗液中的乳酸濃度會隨著時間推移而被稀釋。這就是為什麼受試者在蹬腳踏車時，只能點亮LED四分鐘而已。團隊正在開發一種在乳酸濃度足夠高時存儲能量的新方法，然後逐漸地釋放能量。
參考資料
【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2288
【2】Amay J. Bandodkar, Jung-Min You, Nam-Heon Kim, Yue Gu, Rajan Kumar, A. M. Vinu Mohan, Jonas Kurniawan, Somayeh Imani, Tatsuo Nakagawa, Brianna Parish, Mukunth Parthasarathy, Patrick P. Mercier, Sheng Xu, Joseph Wang. Soft, stretchable, high power density electronic skin-based biofuel cells for scavenging energy from human sweat. Energy Environ. Sci., 2017; 10 (7): 1581 DOI: 10.1039/c7ee00865a
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他們都是加州大學聖達戈分校雅各工程學院的一員。技術
得益于化學、先進材料和電子介面等領域知識的交叉融合，加州大學聖達戈分校的工程師們才取得如此重大的突破。為了讓設備具備足夠的可伸縮性和電能，他們一直努力耕耘，直到研發出這種表皮生物燃料電池。他們使用了光刻技術和絲網印刷技術，製造出三維碳納米管基的陰極和陽極陣列，為可伸縮的柔性電子設備奠定了基礎。
很多朋友都會關心一個問題：生物燃料電池是如何通過汗水獲取能量的？ 簡單說，生物燃料電池具有一種酶，它能氧化人體汗液中存在的乳酸以產生電流，從而將汗水變成了一種能量源。
從技術上說，這項創新還有一個非常重要的關注點，就是“橋和島”的結構。為了相容於可穿戴設備，生物燃料電池需要變得柔性和可伸縮。所以，工程師們決定使用Xu的研究組開發的結構，他們稱之為“橋和島”。
從根本上說，電池由一排圓點組成，每個圓點之間由彈簧形狀的結構相互連接。一半的圓點組成了電池的陽極；另外一半則組成了陰極。這種彈簧狀的結構可被拉伸和彎曲，從而使得電池具有柔性，並且不破壞陽極和陰極。首先，這種“橋和島”的結構的基底通過光刻技術進行製造，由金製成。第二步，研究人員使用絲網印刷技術，將生物燃料材料層沉積到陽極點和陰極點的頂部。
研究人員面臨的最大的技術挑戰就是：增加燃料電池的能量密度，也就是讓單位面積可以產生更多的能量。增加能量密度是提高燃料電池性能的關鍵。電池產生的能量越多，它們就越強大。
為了提高能量密度，工程師們採用絲網印刷的方法，在陽極和陰極的頂部製作了一個三維碳納米管結構。該結構讓工程師們能為每個陽極點載入更多的酶，這種酶能在陰極點處，與乳酸和氧化銀髮生反應。
生物材料電池與 Mercier 研究小組製造的定制電路板相連接。這種電路板是一個DC/DC的轉換器，能夠使得燃料電池產生的電力變得平穩，從而消除由於用戶汗水數量不穩定而帶來的波動，讓它變成具有恒定電壓的穩定電源。
研究人員為四個受試者配備了該生物燃料電池和電路板的組合，讓他們在健身腳踏車上鍛煉。受試者能夠為一盞藍色LED燈供電約4分鐘。
價值
這項技術結合了現有的製造技術，設計了獨特的結構確保電池的柔性和可伸縮性，採用人體上很容易獲取的汗水作為生物燃料產生電能。這種生物燃料電池與現有的可穿戴的生物燃料電池相比，單位表面積產生的能量要高出10倍。它為可穿戴設備的供電又提供了一種新的方式。
未來
未來的研究工作將主要在兩個方面。首先，在陰極處使用的氧化銀是光敏的，且隨著時間推移會發生退化。從長遠來看，研究人員需要找到一種更加穩定的材料。
另外，人體汗液中的乳酸濃度會隨著時間推移而被稀釋。這就是為什麼受試者在蹬腳踏車時，只能點亮LED四分鐘而已。團隊正在開發一種在乳酸濃度足夠高時存儲能量的新方法，然後逐漸地釋放能量。
參考資料
【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2288
【2】Amay J. Bandodkar, Jung-Min You, Nam-Heon Kim, Yue Gu, Rajan Kumar, A. M. Vinu Mohan, Jonas Kurniawan, Somayeh Imani, Tatsuo Nakagawa, Brianna Parish, Mukunth Parthasarathy, Patrick P. Mercier, Sheng Xu, Joseph Wang. Soft, stretchable, high power density electronic skin-based biofuel cells for scavenging energy from human sweat. Energy Environ. Sci., 2017; 10 (7): 1581 DOI: 10.1039/c7ee00865a
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