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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?

2017-01-05 09:31
PokerJoker
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为了使动能采集效率更高,有人想出把传感器放到腰部的皮带上,再使用一个呈摆动形式的连杆,连杆的一端接到传感器,而另一端接到大腿表面。位于大腿内侧的摆动连杆随着大腿一起移动,而人行走时围绕髋关节摆动。这样,传感器产生的电压随着步行速度而增加。这表明,由于功率是电压的函数,所以传感器产生的功率量也随着步行速度而增加。

有的研究者提出使用电磁传感器来测量呼吸期间胸围的变化,并从呼吸中提取能量。结果显示,在正常呼吸期间,电磁传感器能够收获约29.4μW的功率。此外,已经得出结论,以12次呼吸/分钟的频率,传感器能够感测0.4cm的最小胸部位移(0.55cm的胸围变化),并且最大胸部位移为3cm(胸部周长变化为3.6cm)。虽然肺活量计是测量一个人换气量的最普通的装置,但它有它的缺点,即正常人使用时会感到不舒适,所以必须要加以改进。

使用压电材料来进行人体能量采集是另一种常用方法。当压电材料施加机械变形时,就会产生电压。这种能量提取方法就取决于两个因素:一个是压电材料的物质特性,另外一个是施加到材料的机械量。

一个现在用得较多的发明是在鞋子内部装一个压电传感器,通过压电换能来给电子设备充电。实验结果表明,通过步行可以实现150-675mW的平均功率,而通过慢跑可以获得675-2100mW的平均功率。这种鞋子现在也已有了不同的改进版本。如有的使用聚偏二氟乙烯(PVDF)片堆叠来控制鞋底弯曲的能量。结果,当PVDF堆叠被弯曲时,位于外表面上的片材被拉伸,同时内表面中的片材被压缩,产生1.1mW的总平均功率。

还有一种鞋放了一种弹簧钢组成的单压电条,目的是在行走时从脚跟的打击施加的压力中提取能量。当脚跟部施加压力或释放压力时,钢金属弯曲,导致压电材料延伸或者压缩。使用这种方法,与以前的设计相比,该方法获得约230mW的能量。

除了用于能量采集的鞋子之外,压电方法也已经用于医疗应用供电中。例如,研究者提出了一种导管的研究,该导管含有将被插入到心脏的压电薄膜带,并且随后用于向起搏导线提供电功率。简单来说,心脏的运动导致导管弯曲,使得导管内的压电膜变形。压电膜的变形导致导管产生电能。

类似的办法也已有人用于呼吸频率检测。让被检查者佩戴压电带,压电带的输出与胸部运动的位移成比例,当胸部运动更快时,电压输出更高。反过来在被检者不呼吸时,检查者的胸部没有运动,结果,没有从传感器产生的电压输出。

最近几年来,研究者又新发明了一种新的半导体器件,叫“摩擦生电器件”,当该器件移动时,就会产生一定电位差。如果再与晶体管相连接,晶体管就会产生电流,从而可以为其他电子设备提供电能。这种器件在很多方面都比压电材料优越,因此很有发展前景。

使用热电、电磁和压电装置可以从人体采集能量。我们已经看到所有这些方法已经明显地发挥作用、可给小型设备提供电能。但是,根据所使用的传感器的类型和身体上要利用能量的位置,可提取的功率量存在着差异。

例如,从人体热量可以收获2.4W~4.8W的能量。

当采用通过身体运动而获得的功率时,使用热电传感器(如嵌入在手表中)只能产生10μW的功率,而通过将电磁传感器连接到髋关节则可以实现最大284μW的功率。这表明,就人体运动而言,身体的腰部和髋关节区域是发生大多数运动的位置,并且因此与身体的较小区域(例如手腕)相比产生较高的功率。

当对使用电磁和压电传感器从人体运动获得的能量水平进行对比时,显而易见的是,压电方法只能产生2-8mW的功率,而电磁方法能够产生大约250mW。但即使电磁传感器产生最大量的能量,压电方法仍被认为更有效,因为它不影响人的步态周期,更容易使用,并且与电磁方法相比更灵敏。

人体是个最安全的能量来源

虽然用电池作为电源的设备是目前最多的方式,但它是一种低效、昂贵、占体积的方法。更严重的是,充电电池有时甚至会发生爆炸。由于这些原因,人们都在寻找新的可靠的能源。而人体本身具有可用的“取之不尽”的能量源,是一种最安全、最方便的能源。

另一方面,为了使人体供电的负担不要太大,人们也在研究如何把电子装置的功耗尽量做小。如现在有的超低功耗数字助听器芯片,只消耗96μW,即不到0.1毫瓦。这样的话,人体就可直接给它供电了。

研究者也在研究为什么现在一些人工智能的硬件所消耗的能量,需要比人脑消耗的能量多几万倍或甚至更多。他们在研究利用仿生学的办法,来大大降低电子设备的功耗。如果把小型便携电子设备消耗的功率,都降低到毫瓦级或更低,那么使用人体供电就轻而易举了。

虽然人体供电技术目前还刚刚起步,提取的能量的效率不高,但是这方面已经成为当今研究人员的关键研究领域。随着今后这方面的研究进展,电能产出效率会越来越高,由我们人体“自主供电”而完全不用电池的时代一定会到来。

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