想象一下，当你走路，挥手，甚至在你坐着的时候，都会穿上夹克，衬衫或裙子，为你的手机，健身追踪器和其他个人电子设备供电。
在范德比尔特大学的纳米材料和能源设备实验室开发的一种新的超薄能量收集系统有可能做到这一点。这种新型设备基于电池技术，由几层原子厚度的黑磷层制成，即使在人体运动的极低频率下弯曲或按压时也能产生少量电能。
“在未来，我希望通过直接从我们的运动和环境中提取能量，我们都将成为个人设备的收费站，”负责该研究的机械工程助理教授Cary Pint说。
新的能量收集系统在题为“使用2D黑磷纳米片的超低频电化学机械应变能量收集器”的论文中描述，该论文于6月21日由ACS Energy Letters在线发表。
“这是一项及时而令人兴奋的研究，因为可穿戴设备如外骨骼和智能服装的增长，可能会受益于Pint博士在材料和能量收集方面的进步，”Vanderbilt机械和生物医学工程助理教授Karl Zelik说。没有参与设备开发的运动生物力学专家。
目前，有大量研究旨在发现利用环境能源的有效方法。这些包括设计用于从振动和变形中提取能量的机械装置; 旨在从温度变化中提取能量的热装置; 从光，无线电波和其他形式的辐射中捕获能量的辐射能装置; 以及利用生化反应的电化学装置。
“与其他旨在从人体运动中获取能量的方法相比，我们的方法有两个基本优势，”Pint说。“这些材料原子级薄，足够小，可以浸渍到纺织品中，不会影响织物的外观或感觉，并且可以从低于10赫兹-10转/秒的运动中提取能量 - 在相应的整个低频运动窗口上人体运动。“
博士生Nitin Muralidharan和Mengya Li共同领导了制作和测试设备的工作。“当你看到尤塞恩博尔特时，你会看到地球上最快的人。当我看到他时，我看到一台工作在5赫兹的机器，”Muralidharan说。
从这种低频运动中提取可用能量已被证明是极具挑战性的。例如，许多研究小组正在开发基于压电材料的能量采集器，将机械应变转化为电能。然而，这些材料通常在超过100赫兹的频率下工作得最好。这意味着它们不能用于任何人体运动的一小部分，因此即使在最佳条件下它们也能实现低于5-10%的有限效率。
“我们的收割机计算在理想的设备配置中运行效率超过25%，最重要的是在整个甚至缓慢的人体运动过程中收集能量，例如坐姿或站立，”Pint说。
范德比尔特实验室的超薄能量采集器基于该集团对先进电池系统的研究。在过去的3年中，该团队探索了电池材料对弯曲和拉伸的基本反应。他们是第一个通过实验证明当电池材料处于压力下时工作电压发生变化的人。在张力下，电压上升并且在压缩下，它下降。
该团队与机械工程副教授Greg Walker合作，他使用计算机模型验证锂电池材料的这些观察结果。研究结果于6月27日在ACS Nano期刊上发表，题为“锂电池电极的机械化学”。
这些观察结果促使Pint团队用相同材料制成的正极和负极重建电池。虽然这可以防止装置存储能量，但是它允许它充分利用由弯曲和扭曲引起的电压变化，因此响应于人的运动产生大量的电流。
实验室的初步研究发表于2016年。他们受到了麻省理工学院的一个团队的平行突破的进一步启发，他们用硅和锂生产了邮票大小的设备，通过Pint和他的团队获得了能量。调查。
作为回应，范德比尔特研究人员决定采用黑磷纳米片尽可能薄：由于其具有吸引力的电学，光学和电化学特性，材料已成为2D材料研究界的最新宠儿。
由于收割机的基本构件大约是人类头发厚度的1/5000，因此工程师可以根据具体应用的需要使其设备变薄或变厚。他们发现弯曲他们的原型设备每平方英尺产生多达40微瓦，并且可以在整个运动持续时间内维持电流产生，速度为0.01赫兹，每100秒一个周期。
研究人员承认，他们面临的挑战之一是其设备产生的电压相对较低。它在毫伏范围内。然而，他们正在应用他们对该过程的基本见解来提高电压。他们还在探索低于正常电压的电子元件设计，如LCD显示器。
这项技术更具未来感的应用之一可能是电气化服装。它可以为浸有液晶显示器的衣服提供动力，让佩戴者可以通过智能手机上的滑动来改变颜色和图案。“我们已经在测量中等尺寸低功率LCD显示器的功率需求，同时根据我们所穿的衣服的厚度和面积来衡量性能。” 品脱说。
Pint还认为，除了电力系统之外，他们的设备还有潜在的应用。“当融入服装时，我们的设备可以将人体运动转化为高灵敏度的电子信号，可以提供我们运动的历史记录。或者可以将跟踪我们三维运动的衣服与虚拟现实技术相结合。有很多方向这可能会发生。“