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人体是最安全的能量源,那么如何利用传感器来采集供电?

导读: 随着物联网和可穿戴设备的兴起,如何能够摆脱电池,能够找到一种取之不尽的能源,不断为这类小型低耗电的电子设备供电,正成为一个很热门的研究课题。这个课题叫“能量采集技术”。

随着物联网和可穿戴设备的兴起,如何能够摆脱电池,能够找到一种取之不尽的能源,不断为这类小型低耗电的电子设备供电,正成为一个很热门的研究课题。这个课题叫“能量采集技术”。

能量采集的需求正在不断增加,各种各样的研究工作也正在进行,其中一个就是利用人体来为电子设备提供“永远”不衰竭的电力。能量采集技术需要与该类型能量源匹配的能量采集传感器,将来自周围环境的可用能量转换为电能。典型的能量源包括电磁波、风、振动和热能。

电池一直是小型便携设备的主要电源,但它们的使用已经相当不方便。这些装置中的电池占体积很大,并且只能持续有限的时间,必须不断地充电和替换,这变得昂贵和耗时。而且电池往往会造成不方便,如对于手机而言,常常因为打到一半突然没电而不得不中断通话。

来自人体的能量采集技术可以是替代电池供电设备的方法。对于一般的小型电子设备,改为使用身体的能量作为能量源将会带来很多好处。平时我们没有太多觉察自己的身体。其实人体通过日常行为和剧烈身体活动会产生能量,这正是极好的能量来源。

与从机器获取能量相比,从身体提取能量要复杂得多,因为提取能量的采集器的尺寸相当小,并且人体运动发生在较低的频率。过去,有一些产品,如手表、手电筒和收音机,曾使用人工发电的电源来工作。

目前,正在进行研究从人体提取的能量用于低功率生物医学应用。例如,向在身体中植入的医疗装置供电,以延长装置的使用期限。否则为了置换这些装置里的电池,需要不断动手术。今后,人体供电的应用将逐渐扩大到用于可穿戴设备甚至手机。

我们可以把人的日常活动中产生的能量加以利用,例如从人的呼吸、体热、手臂运动、步行、跑步和蹬踏动作等等。这些传感器加上信号处理电路,将这些能量转换成电力。这个采集器可以放在衣服、手表、鞋类或眼镜等人体的佩戴物上,对电子设备充电而不会对用户造成任何不良影响。

三种不同传感器的能量采集

从人体中提取能量,一般使用三种传感器,包括热电传感器、电磁传感器和压电传感器。热电传感利用身体热量,而电磁传感和压电传感从身体运动中提取能量。

热是来自身体的许多种能量来源之一。例如,在新研制的一种可穿戴式无线脑电图系统中,就是用身体热量来工作的。这个脑电图系统使用了一种热电传感器,它在室温下产生超过2mW的功率,而这个系统本身只需要0.66mW的功率,完全可以满足需要。

通过将热电传感器贴在身体上,这些传感器能够感测身体和房间之间的温度差以建立电势。研究表明,身体上虽然有大量(约100W)的热能,但从体热中只能获得毫瓦范围内的电功率。身体的暴露部位,如前额、手腕和头部等部位,是可以提取最大量功率的区域,而被衣服遮挡的人体部位释放较少的热量。

研究表明,当热电传感器放在人体的正确位置时(一般放置在身体的躯干上,这里人体组织温度最高),可以产生大约10-30μW/cm2的电能。此外,这种传感器越厚或者越小,产生的功率量就越高。

人体也是一个很大的动能源,这通过诸如行走、跑步、慢跑和相关身体部位的运动而产生。一些关于利用电磁能量的研究也在进行中,已发现电磁传感器可以用于为可佩戴装置或其他便携电子设备提供能量。电磁传感器在功能上类似于热电传感器,从身体运动提取能量并将其转换为电压、电流等电量。

研究人员已经研制了一种安装在髋部的电磁传感器,可以用于采集在身体运动(例如步行或跑步)期间髋部运动产生的动能。根据他们的研究,从人体运动提取的动能可以转换为电能,然后可以用于向配备在人身上的设备提供电力。从该研究中,发现当以每秒1.5米的速度行走或跑步时,可以产生1V的最大开路电压(当没有连接外部负载时的电压)和0.3-2.46 mW的电力。

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