可穿戴健康设备图片
北卡州立大学的柔性集热装置显示出更好的蓄热效率来为设备提供动力。(图片由Mehmet Ozturk提供)

北卡罗莱纳州立大学(North Carolina State University)的工程师们继续改进一种可穿戴在手腕上的柔性设备的效率,该设备可以从人体获取热量,以监测健康状况。

研究人员报告称,他们在2017年首次报道并于2020年更新的柔性体热收集器在防止热量泄漏方面有了显著增强。这些收割机利用人体的热能为可穿戴技术供电——想想那些可以测量心率、血氧、葡萄糖和其他健康参数的智能手表——它们的电池永远不需要充电。该技术依赖于同样的原理,控制着将热能转化为电能的刚性热电收割机。

柔性收割机符合人体的高度期望与可穿戴技术使用。美国北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程教授Mehmet Ozturk提到,柔性热电发电机(TEGs)的核心原因是其与柔性设备的良好皮肤接触,以及对设备佩戴者的人体工程学和舒适性的考虑。

然而,柔性收割机的性能和效率历史良好地落后于刚性装置,这在它们能够将体热转化为可用能量的能力。

2017年首次报道的概念验证TEG采用半导体元件,使用由EGaIn(一种无毒的镓和铟合金)制成的液态金属互连线串联在一起。EGaIn提供了类似金属的导电性和延展性。整个装置被嵌入一个可伸缩的硅胶弹性体中。

2020年报道的升级设备采用了相同的架构,但显著改进了前一版本的热工程,同时增加了负责将热量转化为电能的半导体元件的密度。其中一个改进是高导热硅胶弹性体-本质上是一种橡胶-封装了EGaIn互连。

最新的方法是将气凝胶薄片添加到硅酮弹性体中,以降低弹性体的热导率。实验结果表明,这种创新减少了一半的热泄漏通过弹性体。

“加入气凝胶停止在设备的热电”腿之间泄漏的热量“,”Ozturk说“。“热泄漏越高,越低于该器件的温度,这转化为降低输出功率。”

“本文报道的灵活装置比我们2017年报告的设备更好地执行数量级,并继续探讨刚性设备的性能,”他补充说。

Ozturk表示,NC国有专利技术的一个优势在于它采用在几十年的研究后完善的刚性装置中使用的相同的半导体元件。该方法还为现有的刚性热电模块制造商提供了低成本机会,进入柔性热电市场。

他补充说,他的实验室将继续专注于提高这些柔性设备的效率。

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