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新颖的电路设计增强了可穿戴式热电发电机

发布时间:2019-01-25 16:14:17 来源:

研究人员使用柔性导电聚合物和印刷在纸上的新型电路图案,展示了概念验证可穿戴式热电发电机,它可以从体热中获取能量,为简单的生物传感器提供动力,用于测量心率,呼吸或其他因素。

由于它们具有对称的分形布线图案,因此可以将器件切割成为特定应用提供电压和功率要求所需的尺寸。模块化发生器可以喷墨印刷在柔​​性基底上,包括织物,并使用廉价的卷对卷技术制造。

“热电发电机的吸引力在于我们周围都有热量,”Akanksha Menon博士说。佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院的学生。“如果我们能够利用一点点的热量并将其转化为电费便宜,那就有很大的价值。我们正致力于如何利用身体产生的热量来发电。”

该研究得到百事可乐公司和空军科学研究办公室的支持,于9月28 日在线应用物理学杂志上发表。

将热能直接转换为电能的热电发电机已有数十年的历史,但标准设计使用的无形无机材料对于可穿戴设备来说毒性太大。功率输出取决于发电机两侧之间可能产生的温差,这取决于体温的挑战性。从皮肤上的小接触区域获得足够的热能增加了挑战,并且装置中的内部电阻最终限制了功率输出。

为了解决这个问题,Menon和助理教授Shannon Yee实验室的合作者设计了一个装有数千个点的装置,这些点由交替的p型和n型聚合物组成,排列紧密。由于喷墨打印机能够实现较大的包装密度,它们的图案可以转换更多的单位面积热量。通过将聚合物点放置得更靠近,互连长度减小,这反过来降低了总电阻并导致器件的更高功率输出。

“我们使用基于空间填充曲线的布线图案,例如希尔伯特图案 - 连续的空间填充曲线,而不是将聚合物点连接到传统的蛇形布线图案,”Kiarash Gordiz说,他是一位合着的作者。他在博士期间获得了博士学位。佐治亚理工学院的学生 “这里的优势在于希尔伯特模式允许表面构象和自定位,从而在整个装置上提供更均匀的温度。”

新的电路设计还有另一个好处:它的分形对称设计允许模块沿对称区域之间的边界切割,以提供特定应用所需的电压和功率。这消除了对功率转换器的需求,这增加了复杂性并从系统中获取功率。

“在可穿戴设备的背景下,这是有价值的,你想要尽可能少的组件,”梅农说。“我们认为这可能是一种非常有趣的方式来扩展可穿戴设备的热电材料使用。”

到目前为止,这些设备已经在普通纸上印刷,但研究人员已经开始探索使用面料。纸张和织物都是柔韧的,但织物可以很容易地整合到衣服中。

“我们希望将我们的设备整合到人们每天都穿的商用纺织品中,”梅农说。“人们会觉得穿着这些面料很舒服,但他们只能用身体的热量来装动东西。”

凭借这种新颖的设计,研究人员希望获得足够的电力来为小型传感器供电,范围从微瓦到毫瓦。这对于简单的心率传感器就足够了,但不是更复杂的设备,如健身追踪器或智能手机。发电机也可用于补充电池,使设备可以运行更长的时间。

未来的挑战包括保护发电机免受潮湿影响,并确定它们与皮肤的接近程度,以传递热能 - 同时让佩戴者保持舒适。

研究人员使用市售的p型材料,并与佐治亚理工学院的化学家合作开发更好的n型聚合物,用于可在室温下以小温差工作的未来几代器件。体热产生小至五度的差异,而用作管道和蒸汽管线的一部分的发电机则为百度。

“这类聚合物材料的一个未来优势是低成本和丰富的热电材料具有固有的低导热性的潜力,”Yee说,他是实验室伍德拉夫机械工程学院的一员。“有机电子界在理解聚合物基材料的电子和光学性能方面取得了巨大进步。我们正在利用这些知识来了解这些聚合物中的热和热电传输,从而实现新的器件功能。”

正在开发的材料的其他前景之一是局部冷却装置,其使用电力将热能从装置的一侧移动到另一侧,从而逆转该过程。Yee说,只需冷却身体的各个部位就可以提供舒适感而不需要大空间空调的费用。

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