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解決可穿戴設備續航——摩擦生電DuangDuang登場!

發布時間:2015-08-18 責任編輯:echolady

【導讀】眼下可穿戴設備市場正如日中天,但是可穿戴設備的續航問題卻是阻礙市場發展的一個脈門。為了隨時隨地為穿戴者續航充電,專家組從摩擦生電展開聯想,終于摩擦生電奈米發電機的技術得研究計劃完美告破。

根據市場研究機構IDC的報告,在2014年,穿戴式裝置(基本型及智能型)的市場出貨量約1,960萬臺,在2015年,預估出貨量將成長至4,570萬臺,至2019年更上看1.26億臺,而這五年的年平均復合成長率高達45.1%。

在初期,人們對高科技產品的嘗鮮及炫耀心理所建構出的消費行為,以及,以商品實用性甚至是必需品為導向的長期市場需求;而大家都很清楚的是,“實用性”才是穿戴式裝置商品能夠屹立不搖、生生不息的保證。

穿戴式裝置的“實用性”指針,除了功能(function)之外,最為重要的就是“續航力”了。以目前最夯的AppleWatch來說,每天晚上都得脫下來充一下電,消費者已經稍嫌麻煩了,若是24小時監測的醫療照護穿戴裝置,也需要每天脫下來充電才能續用,這種東西的實用性已經被大打折扣了。

以目前的產品表現來說,電池續航力的確是穿戴式裝置市場成長的一大罩門。

要提升穿戴式裝置的續航力,可以從二方面著手,一是設計極低耗電的傳感器、處理器、通訊模塊等組件,以及優化系統的電源管理;二是改良電池技術。

相較于半導體組件設計所獲得的改良進展,電池技術則面臨更多的挑戰。現今廠商不僅要研發出續航力超強而且體積又小的電池,最好還能讓電池具備可撓的特性,以搭配各種型態的穿戴式裝置;而在未來,智能型穿戴式裝置的功能勢必更加強大,這也意味著裝置內含的組件將會越來越多,結果就是耗電量將只會增不會減,因此,電池技術就必需要有重大的突破才能未雨綢繆。

延長穿戴式裝置的續航力,除了等待新電池技術的支持之外,還可以透過“改變充電的方式”讓使用者“有感”,例如,具備(遠距)無線充電功能的穿戴式裝置,就可以在“不必脫下”的情況下隨時充電,永遠turnon,但前提是需配合無線充電發射器的裝設位置;若是依照“能量采集”(EnergyHarvesting)的原理,將穿戴者本身產生的動能(擺動、摩擦)轉換成電能來供電,則可以隨時隨地將電池充飽,而且也沒有充電位置的限制,因此,穿戴式裝置就可以全年無休的為您服務了。

雖然能量采集的技術仍在研究階段,但已有令人矚目的突破進展,例如,美國喬治亞理工學院的王中林教授(Prof.ZhongLinWang)及其團隊利用“摩擦生電效應”(TriboelectricEffect),以及“靜電感應”(ElectrostaticInduction)原理所設計出的摩擦生電奈米發電機(TriboelectricNanogenerator;TENG)就是很好的例子,該團隊在此研究議題上所獲得的成果,已將單位面積發電密度(AreaPowerDensity)提升到1,200W/m2,能量轉換效率(EnergyConversionEfficiency)也高達50%~80%,所提供的電量甚至可以點亮1,000顆綠光LED組件

解決可穿戴設備續航——摩擦生電DuangDuang登場!
 
TENG不但牽涉到電學原理,更包含材料、化學、奈米技術。它的輸出表現可以透過多種方法增強,包括材料選擇、薄膜表面紋理形貌以及奈米化合物結構。

“能夠產生大量電荷的輸出取決于摩擦表面的性質。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的圖案增加了片材的接觸面積,產生的電力可以有上千倍的差異”,所以為了增加接觸面積,薄膜表面通常會設計成密布的鋸齒、顆粒或長刷狀等等。

在當初開始研究TENG時,其目標就是為了要對傳感器網絡中的小型電子組件提供電源,而研發至今,已證實摩擦生電奈米發電機不僅能攫取小尺度的能量,也能收集大規模的能量,例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。

如果摩擦生電奈米發電機的技術在未來可以達到商業化的標準,那么,穿戴者就可以隨時隨地為自己的裝置充電,而穿戴式裝置就可以不再需要以大顆的電池來延長續航力了。

雖然摩擦生電奈米發電機的技術發展,不論是用于人體動能采集,或是用于自然風雨的能量采集,將繼續面對許多務實問題的挑戰,例如材料的穩定度、長期摩擦后的磨損率、高電壓低電流的電源管理技術、能量儲存技術、封裝、連接或整合至裝置等等問題,但不可否認的是,我們習以為常的摩擦生電現象,竟也有如此實用的潛力,微小的能量匯聚之后也有巨大的用處,未來還會發展到什么樣的境界呢?

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