在21世纪的科技浪潮中，可穿着打扮电子设施正渐渐成为大家日常必不可少的一部分。这类设施以其便携性、功能性和用户友好性，正在改变大家与数字世界的互动方法。

可穿着打扮设施的多种多样，从简单的计步器到复杂的健康监测系统，每一种都有其特定的作用和功能。比如，智能手表不仅能够显示时间，还能监测心率、睡眠水平、步数和接收公告。健康监测器则可以实时跟踪血糖、血压和心电图等重点生理指标。虚拟现实眼镜则为用户带来沉浸式的体验，广泛应用于游戏、教育和练习模拟中。

图1 基于柔性电极材料开发的可穿着打扮电子设施 图片来源：《科普时报》

尽管可穿着打扮设施的便利性不言而喻，但它们仍然面临着能源提供的挑战。传统的电池不只需要按期充电，而且存在寿命限制和环境问题。因此，研究职员正在探索怎么样使这类设施达成能来源于给自足，比如通过太阳能、动能甚至人体热量来供电。

在这个背景下，热电可穿着打扮设施和指尖可穿着打扮微电网技术应运而生。热电可穿着打扮设施借助热电材料将人体热量转换为电能，而指尖微电网则通过生物燃料电池和可拉伸电池采集和储存能量，达成对可穿着打扮设施的持续供电。这类技术不只提升了能源借助效率，还降低了对环境的影响。

热电可穿着打扮设施

热电可穿着打扮设施基于热电效应，即当热电材料的两端存在温差时，可以产生电压和电流。这类设施的重点优势在于它们可以借助人体自然产生的热量，如体热，来产生电能，从而降低对传统电池的依靠。

图2 用于自供电电子系统的可穿着打扮热电材料和器件 图片来源：《先进材料》

热电材料：这类设施的核心是热电材料，它们可以是无机半导体如碲化铋和碲化锑，也可以是有机聚合物。这类材料的热电优值决定了其转换效率，热电优值越高，转换效率越好。

柔性与舒适性：为了适应人体的不规则表面和动态运动，热电可穿着打扮设施需要拥有好的柔性和可拉伸性。这一般通过将热电材料与柔性基底材料（如聚合物）结合来达成。

设计革新：为了提升热电设施的功率输出，研究职员使用了多种设计方案，包含增加热电材料的表面积、优化热电材料的纳米结构、与设计更高效的热管理软件来增强温度梯度。

指尖可穿着打扮微电网

图3 集成指尖可穿着打扮微电网的原理和设计

（a）指尖可穿着打扮微电网系统的示意图，包含生物燃料电池、氯化银-锌电池、柔性印刷电路板与带有渗透汗液提取辅助纸流体系统的可穿着打扮传感器。生物燃料电池和氯化银-锌电池电池的组合构建为能源模块，包含两个串联的氯化银-锌电池电池，每一个电池由两个串联的生物燃料电池充电。插图（红圈中）放大了与指尖接触的组件，包含四个生物燃料电池和一个中心渗透泵系统用于汗液提取：（i）主示意图，（ii）腹侧和（iii）背侧。（b）指尖安装的微电网工作原理的示意图，用于能量采集、能量存储与电化学传感与无线数据传输和智能手机显示。指尖出汗提供生物燃料和生物标记物，分别用于被动能量采集和连续传感。微控制单元为四个传感器提供动力，生成的信号通过模数转换器转换为可读数据，并通过蓝牙低功耗传输，以供进一步剖析。图片来源：《自然-电子》指尖可穿着打扮微电网是一种更为特定的可穿着打扮能源解决方法，它专注于借助指尖的高汗腺密度来采集生物能量。这种系统一般包含以下几个重点组件：

生物燃料电池：生物燃料电池借助指尖汗液中的化学物质（如乳酸）作为燃料，通过生物化学反应产生电能。这类电池的设计一般包含酶催化剂，以提升能量转换效率。

可拉伸电池：如氯化银-锌电池，它们可以储存生物燃料电池产生的电能。这类电池设计为可拉伸和柔性，以适应指尖的形状和运动。

微流体系统：为了有效地将汗液引导到传感器，指尖微电网一般包含一个微流体系统，如激光雕刻的微流体纸通道。这类通道借助毛细用途将汗液输送到传感器。

电化学传感器：这类传感器用于测试汗液中的特定化学物质，如葡萄糖、维生素C、乳酸等。它们将化学信号转换为电信号，供微控制器处置。

低功耗电子器件：指尖微电网包含低功耗的微控制器和无线传输模块，用于处置传感器信号并将数据无线传输到智能手机或其他设施。

热电可穿着打扮设施和指尖可穿着打扮微电网的将来进步将集中在提升能量转换效率、优化设施设计以增强客户体验、与扩展其在健康监测、环境监测和人机交互等范围的应用。伴随技术的成熟，这类设施有望在医疗保健、运动科学、军事和娱乐等多个范围发挥要紧用途，为大家的生活带来更多便利和健康保障。

参考文献：

[1] Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring. Nat. Electron. (2024).

[2] Y. Jia, Q. Jiang, H. Sun, P. Liu, D. Hu, Y. Pei, W. Liu, X. Crispin, S. Fabiano, Y. Ma, Y. Cao, Wearable Thermoelectric Materials and Devices for Self-Powered Electronic Systems. Adv. Mater. 2021, 33, 2102990.

[3] Gong S, Lu Y, Yin J, et al. Materials-driven soft wearable bioelectronics for connected healthcare[J]. Chemical Reviews, 2024, 124(2): 455-553.

[4] 李传福. 柔软电极材料，让可穿着打扮电子设施不再僵硬[N].科普时报,2024-07-19（06）.

李传福，中国科普作家协会会员，浙江科普联合会会员，英国皇家化掌握会员（MRSC），《科普时报》专栏作者。作品散见于《文摘报》《青少年科技革新报》《中国科技财富》《科普时报》《南方科技报》《安徽科技报》《陕西科技报》《山西科技报》等报刊，部分作品被学习强国、中国科普网和科普中国等平台发布转载。有作品入选甘肃科普掌握2023年度十大科普作品。

Tags：科普