可穿戴健康设备形象
NC州立的灵活的热收集装置显示了更好的效率在保留热量的动力装置。(图片由Mehmet Ozturk提供)

北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的工程师们继续提高一种戴在手腕上的可弯曲装置的效率,这种装置可以从人体收集热能来监测健康状况。

研究人员报告称,柔性体热采集器在防止热泄漏方面有重大改进,他们于2017年首次报告并于2020年更新。这种收割机利用人体的热能为可穿戴技术提供动力,比如可以测量心率、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。该技术依赖于与刚性热电收割机相同的原理,后者将热能转化为电能。

与人体相适应的柔性收割机在可穿戴技术中非常受欢迎。北卡罗莱纳州立大学电气和计算机工程教授Mehmet Ozturk提到,柔性设备与皮肤的良好接触,以及对设备佩戴者的人体工程学和舒适性的考虑,是制造柔性热电发电机(teg)的核心原因。

然而,从历史上看,柔性收割机的性能和效率远远落后于刚性设备,后者在将体热转化为可用能量方面的能力更强。

TEG最初于2017年报告的概念验证,采用了半导体元件,通过EGaIn(一种无毒的镓和铟合金)制成的液态金属互连线串联起来。EGaIn提供了类似金属的导电性和延展性。整个装置嵌入一个可伸缩的硅酮弹性体中。

2020年报告的升级设备采用了相同的架构,但显著改进了之前版本的热工技术,同时增加了负责将热量转化为电能的半导体元素的密度。改进之一是一种高导热硅酮弹性体——本质上是一种橡胶——封装了EGaIn互连。

最新的迭代增加气凝胶薄片到硅弹性体,以降低弹性体的热导率。实验结果表明,这一创新减少了一半的热泄漏通过弹性体。

Ozturk说:“添加气凝胶可以防止热量在设备的热电‘腿’之间泄漏。”“热泄漏越高,整个设备产生的温度就越低,这就意味着输出功率越低。”

他补充说:“本文中报告的柔性设备的性能比我们在2017年报告的设备要好一个数量级,并继续接近刚性设备的性能。”

Ozturk表示,NC国家专利技术的优势之一是,它使用了与刚性设备相同的半导体元素,经过几十年的研究完善。该方法也为现有的刚性热电模块制造商进入柔性热电市场提供了一个低成本的机会。

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。