在21世紀的科技浪潮中，可穿戴電子設備正逐漸成為我們生活中不可或缺的一部分。這些設備以其便攜性、功能性和用戶友好性，正在改變我們與數字世界的互動方式。

可穿戴設備的種類繁多，從簡單的計步器到復雜的健康監測系統，每一種都有其特定的用途和功能。例如，智能手表不僅可以顯示時間，還能監測心率、睡眠質量、步數和接收通知。健康監測器則可以實時跟蹤血糖、血壓和心電圖等關鍵生理指標。虛擬現實眼鏡則為用戶帶來沉浸式的體驗，廣泛應用于游戲、教育和訓練模擬中。

圖1 基于柔性電極材料開發的可穿戴電子設備 圖片來源：《科普時報》盡管可穿戴設備的便利性不言而喻，但它們仍然面臨著能源供應的挑戰。傳統的電池不僅需要定期充電，而且存在壽命限制和環境問題。因此，研究人員正在探索如何使這些設備實現能源自給自足，例如通過太陽能、動能甚至人體熱量來供電。

在這個背景下，熱電可穿戴設備和指****尖可穿戴微電網技術應運而生。熱電可穿戴設備利用熱電材料將人體熱量轉換為電能，而指尖微電網則通過生物燃料電池和可拉伸電池收集和儲存能量，實現對可穿戴設備的持續供電。這些技術不僅提高了能源利用效率，還減少了對環境的影響

熱電可穿戴設備

熱電可穿戴設備基于熱電效應，即當熱電材料的兩端存在溫差時，能夠產生電壓和電流。這些設備的關鍵優勢在于它們能夠利用人體自然產生的熱量，如體熱，來產生電能，從而減少對傳統電池的依賴。

圖2 用于自供電電子系統的可穿戴熱電材料和器件 圖片來源：《先進材料》

熱電材料：這些設備的核心是熱電材料，它們可以是無機半導體如碲化鉍和碲化銻，也可以是有機聚合物。這些材料的熱電優值決定了其轉換效率，熱電優值越高，轉換效率越好。

柔性與舒適性：為了適應人體的不規則表面和動態運動，熱電可穿戴設備需要具備良好的柔性和可拉伸性。這通常通過將熱電材料與柔性基底材料（如聚合物）結合來實現。

設計創新：為了提高熱電設備的功率輸出，研究人員采用了多種設計策略，包括增加熱電材料的表面積、優化熱電材料的納米結構、以及設計更高效的熱管理系統來增強溫度梯度。

指尖可穿戴微電網

圖3 集成指尖可穿戴微電網的原理和設計

（a）指尖可穿戴微電網系統的示意圖，包括生物燃料電池、氯化銀-鋅電池、柔性印刷電路板以及帶有滲透汗液提取輔助紙流體系統的可穿戴傳感器。生物燃料電池和氯化銀-鋅電池電池的組合構建為能源模塊，包括兩個串聯的氯化銀-鋅電池電池，每個電池由兩個串聯的生物燃料電池充電。插圖（紅圈中）放大了與指尖接觸的組件，包括四個生物燃料電池和一個中心滲透泵系統用于汗液提取：（i）主示意圖，（ii）腹側和（iii）背側。

（b）指尖安裝的微電網工作原理的示意圖，用于能量收集、能量存儲以及電化學傳感與無線數據傳輸和智能手機顯示。指尖出汗提供生物燃料和生物標記物，分別用于被動能量收集和連續傳感。微控制單元為四個傳感器提供動力，生成的信號通過模數轉換器轉換為可讀數據，并通過藍牙低功耗傳輸，以供進一步分析。圖片來源：《自然-電子》

指尖可穿戴微電網是一種更為特定的可穿戴能源解決方案，它專注于利用指尖的高汗腺密度來收集生物能量。這種系統通常包括以下幾個關鍵組件：

生物燃料電池：生物燃料電池利用指尖汗液中的化學物質（如乳酸）作為燃料，通過生物化學反應產生電能。這些電池的設計通常包括酶催化劑，以提高能量轉換效率。

可拉伸電池：如氯化銀-鋅電池，它們可以儲存生物燃料電池產生的電能。這些電池設計為可拉伸和柔性，以適應指尖的形狀和運動。

微流體系統：為了有效地將汗液引導到傳感器，指尖微電網通常包括一個微流體系統，如激光雕刻的微流體紙通道。這些通道利用毛細作用將汗液輸送到傳感器。

電化學傳感器：這些傳感器用于檢測汗液中的特定化學物質，如葡萄糖、維生素C、乳酸等。它們將化學信號轉換為電信號，供微控制器處理。

低功耗電子器件：指尖微電網包括低功耗的微控制器和無線傳輸模塊，用于處理傳感器信號并將數據無線傳輸到智能手機或其他設備。

熱電可穿戴設備和指尖可穿戴微電網的未來發展將集中在提高能量轉換效率、優化設備設計以增強用戶體驗、以及擴展其在健康監測、環境監測和人機交互等領域的應用。隨著技術的成熟，這些設備有望在醫療保健、運動科學、軍事和娛樂等多個領域發揮重要作用，為人們的生活帶來更多便利和健康保障。

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來源: 科小二