不管是個人生活還是工業應用，世界已經嚴重依賴電子產品。然而，有限的電池壽命仍然是一個影響設備使用體驗的顯著問題，特別是當人們在偏遠地區使用聯網設備時，充電或更換電源往往很困難。低電量警告也會讓那些重度依賴電子產品的用戶感到煩惱。

幸運的是，研究人員在能量收集方面取得了令人矚目的進展，這可能導致自供電電子產品的出現。我們的日常設備能否不斷從環境或我們自身獲取電力，而不是依靠需要定期充電的輔助電源？到目前為止，科研人員取得了哪些成就？

PART 01

開發能量收集織物

如果能量收集設備對日常生活的影響很小或沒有影響，人們很可能會使用它們。一個研究小組意識到了這一點，他們設計了一種智能織物，可以跟蹤人們的運動，監測他們的健康狀況，并從環境中獲取能量。他們的創新包括壓電復合材料和碳纖維增強聚合物。它無需外部電源，就能將體熱和太陽能轉化為電能。

該團隊還特別設計了這種織物，使傳感器易于放入材料中，無論人們是想跟蹤化學成分、溫度還是其他方面。智能口罩是研究中發現的一個潛在應用。COVID-19向世界展示了傳染性、廣泛性疾病的破壞性。然而，可以保護佩戴者并為醫務人員提供有關他們的統計數據的高科技口罩可能會改變游戲規則，在緊急情況下協助護理。

由于這種面料比同類產品更穩定、更有彈性、價格更實惠，這些特點提高了它的商業吸引力。然而，該團隊必須進行進一步的測試來評估這種材料的可行性，包括與工程師合作插入傳感器并提高整體性能。此外，進一步的改進可能涉及開發一款智能手機應用程序，可以將佩戴者的數據傳輸給醫護人員或其他選定的專業人員，從而實現日常使用過程中的實時、非侵入式監測。

無論消費者最終是否可以購買和使用由這種先鋒面料制成的服裝，相關的發展和實驗都將為進一步改進通過能量收集來工作的自供電電子設備提供參考。

PART 02

提高自供電電子產品的耐用性

致力于創造自供電電子產品的研發人員必須考慮各種因素。例如，人們會在室內還是室外使用這些設備？他們會一直使用這些設備還是在某個特定場景中臨時使用？解答這些問題可以讓人們創造出在預期環境中運行良好的產品。

在一個案例中，一個國際研究小組優先考慮了堅固、輕便的能量收集設備的耐用性。它利用壓電材料捕捉環境中的振動能量，這些材料在物理應力作用下會產生能量。該團隊還選擇了碳纖維增強聚合物 (CFRP)，這種材料已經廣泛應用于從航空航天到醫學等多個行業。研究人員意識到，為放置在偏遠地區的聯網設備供電，或者在需要維護多個設備時讓它們全部正常運行是多么困難。

該發明的耐用性和自供電特性有助于其未來的應用。在制造它時，該團隊選擇了CFRP和鈮酸鉀鈉納米顆粒，并將它們與環氧樹脂混合。CFRP也成為一種雙重用途材料，可用作電極和增強基板。此外，壓電晶體響應動能發電，創造了許多潛在的應用場景。

在這種情況下，研究人員使用壓電復合材料和壓電振動能量收集器制作了他們的設備。測試表明，在研究人員對其施加超過100,000次壓力后，該設備仍然表現出高性能結果。此外，實驗表明，這種能量收集器可以收集電能以供日后使用并點亮LED燈。這些積極成果讓人們對自供電電子產品的潛在應用充滿希望。

PART 03

實現能源效率的突破

聯網設備為決策者提供了必要的可視性，可防止產品在供應鏈中移動時發生浪費、破損和其他不良事件。據估計，每年有多達2,500萬個干貨集裝箱在世界各地運輸產品。然而，跟蹤這些行程的傳感器中的電池只能使用幾年，更換電池常常并不容易。

科學家們想知道，他們能否通過創建一種收集射頻信號的能量收集選項來找到一種更節能、更方便的解決方案。Wi-Fi和藍牙等技術使它們在現代世界中占據著重要地位，那么為什么不使用它們來為設備供電呢？來自三個國家的參與者合作開展了一個前瞻性項目，該項目將環境射頻信號轉換為直流電能。這種方法可以為傳感器和電子設備供電，讓人們無需電池就可以使用它們。

更具體地說，研究人員依靠納米級自旋整流器(SR)技術作為必不可少的組件。該小組設計并優化了兩種SR配置，發現串聯排列的10-SR陣列具有最佳的能源效率和整體性能。將其集成到能量收集模塊后，科學家發現該裝置成功為溫度傳感器供電。

這一結果表明，收集射頻信號可能是設計節能且實用的電子設備和傳感器的關鍵步驟。此類選擇也可能符合決策者的可持續發展目標，尤其是當利益相關者要求領導者對其運營做出可衡量的環保改變時。

PART 04

向電能的轉化

影響自供電電子產品廣泛應用的一個潛在障礙是充電時間。很容易想象，它們適合那些大部分工作時間都站著、四處走動而不是長時間靜坐的人。然而，研究人員找到了一種方法，可以將納米發電機的功率密度提高到傳統發電機的140倍。

該團隊利用激光完善了他們的能量收集技術，制造出了一個帶有34個收集元件的原型設備。不過這一規模可以進一步擴大以提高能量收集能力。參與的研究人員認為，他們選擇的自供電電子產品最終可能像今天的太陽能電池板一樣強大且簡單易用。

該裝置是一種摩擦電納米發電機，可從日常運動中獲取能量。所選材料在接觸和分離時會產生電能，其工作原理類似于將氣球在頭發上摩擦，將其拉開時頭發會因靜電而豎起。

這些研究人員計劃通過創辦一家以摩擦電技術為中心的企業來獲利，希望制造出可持續運行的自供電醫療傳感器，并為工業可擴展性開辟新的機會。

將自供電電子產品推向主流應用需要全球團隊的投入和辛勤工作。然而，這些令人興奮的例子表明，我們在尋找更好、更持久、可與現有能源配合使用的電源方面走在了正確的道路上。