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解决可穿戴设备续航——摩擦生电DuangDuang登场!

发布时间:2015-08-18 责任编辑:echolady

【导读】眼下可穿戴设备市场正如日中天,但是可穿戴设备的续航问题却是阻碍市场发展的一个脉门。为了随时随地为穿戴者续航充电,专家组从摩擦生电展开联想,终于摩擦生电奈米发电机的技术得研究计划完美告破。

根据市场研究机构IDC的报告,在2014年,穿戴式装置(基本型及智能型)的市场出货量约1,960万台,在2015年,预估出货量将成长至4,570万台,至2019年更上看1.26亿台,而这五年的年平均复合成长率高达45.1%。

在初期,人们对高科技产品的尝鲜及炫耀心理所建构出的消费行为,以及,以商品实用性甚至是必需品为导向的长期市场需求;而大家都很清楚的是,“实用性”才是穿戴式装置商品能够屹立不摇、生生不息的保证。

穿戴式装置的“实用性”指针,除了功能(function)之外,最为重要的就是“续航力”了。以目前最夯的AppleWatch来说,每天晚上都得脱下来充一下电,消费者已经稍嫌麻烦了,若是24小时监测的医疗照护穿戴装置,也需要每天脱下来充电才能续用,这种东西的实用性已经被大打折扣了。

以目前的产品表现来说,电池续航力的确是穿戴式装置市场成长的一大罩门。

要提升穿戴式装置的续航力,可以从二方面着手,一是设计极低耗电的传感器、处理器、通讯模块等组件,以及优化系统的电源管理;二是改良电池技术。

相较于半导体组件设计所获得的改良进展,电池技术则面临更多的挑战。现今厂商不仅要研发出续航力超强而且体积又小的电池,最好还能让电池具备可挠的特性,以搭配各种型态的穿戴式装置;而在未来,智能型穿戴式装置的功能势必更加强大,这也意味着装置内含的组件将会越来越多,结果就是耗电量将只会增不会减,因此,电池技术就必需要有重大的突破才能未雨绸缪。

延长穿戴式装置的续航力,除了等待新电池技术的支持之外,还可以透过“改变充电的方式”让使用者“有感”,例如,具备(远距)无线充电功能的穿戴式装置,就可以在“不必脱下”的情况下随时充电,永远turnon,但前提是需配合无线充电发射器的装设位置;若是依照“能量采集”(EnergyHarvesting)的原理,将穿戴者本身产生的动能(摆动、摩擦)转换成电能来供电,则可以随时随地将电池充饱,而且也没有充电位置的限制,因此,穿戴式装置就可以全年无休的为您服务了。

虽然能量采集的技术仍在研究阶段,但已有令人瞩目的突破进展,例如,美国乔治亚理工学院的王中林教授(Prof.ZhongLinWang)及其团队利用“摩擦生电效应”(TriboelectricEffect),以及“静电感应”(ElectrostaticInduction)原理所设计出的摩擦生电奈米发电机(TriboelectricNanogenerator;TENG)就是很好的例子,该团队在此研究议题上所获得的成果,已将单位面积发电密度(AreaPowerDensity)提升到1,200W/m2,能量转换效率(EnergyConversionEfficiency)也高达50%~80%,所提供的电量甚至可以点亮1,000颗绿光LED组件

解决可穿戴设备续航——摩擦生电DuangDuang登场!
 
TENG不但牵涉到电学原理,更包含材料、化学、奈米技术。它的输出表现可以透过多种方法增强,包括材料选择、薄膜表面纹理形貌以及奈米化合物结构。

“能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的图案增加了片材的接触面积,产生的电力可以有上千倍的差异”,所以为了增加接触面积,薄膜表面通常会设计成密布的锯齿、颗粒或长刷状等等。

在当初开始研究TENG时,其目标就是为了要对传感器网络中的小型电子组件提供电源,而研发至今,已证实摩擦生电奈米发电机不仅能攫取小尺度的能量,也能收集大规模的能量,例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。

如果摩擦生电奈米发电机的技术在未来可以达到商业化的标准,那么,穿戴者就可以随时随地为自己的装置充电,而穿戴式装置就可以不再需要以大颗的电池来延长续航力了。

虽然摩擦生电奈米发电机的技术发展,不论是用于人体动能采集,或是用于自然风雨的能量采集,将继续面对许多务实问题的挑战,例如材料的稳定度、长期摩擦后的磨损率、高电压低电流的电源管理技术、能量储存技术、封装、连接或整合至装置等等问题,但不可否认的是,我们习以为常的摩擦生电现象,竟也有如此实用的潜力,微小的能量汇聚之后也有巨大的用处,未来还会发展到什么样的境界呢?

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