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纳米技术系列文章(二):借助纳米发电机从汽车、海浪和人体获得电能

作者:PTCNancy Langmeyer2017.04.13

  物联网(IoT)设备结合了多种技术,如无线通信软件传感器——当然,它也以某种形式利用了电力技术。
  当今市面上的大部分物联网应用都是靠电池或电力电缆供电。但对纳米物联网IoNT)而言,汽车发动机的震动、海浪甚至是简单的人体运动都可作为电力来源。
  信不信由你CONTROL ENGINEERING China版权所有,这种电力在不久的将来即可面市——这要感谢王中林博士的不懈努力。王中林博士任美国佐治亚理工学院材料科学与工程高塔讲席(Hightower Chair)教授及董事讲席教授,是纳米科学和纳米技术领域的先驱和全球领导者。纳米科学和纳米技术研究的是原子或分子尺度功能结构的构建和使用,这些功能结构至少有一个以纳米衡量的特征尺寸。以人体毛发为参照点www.cechina.cn,人体毛发直径通常为50微米,而1纳米则只有毛发直径的八万分之一。
  自2005年开始,王中林博士在该领域的工作重点之一就是自发电纳米技术设备的研究。这种设备从周围环境中吸收能量——来源可以是汽车、人体,也可以是开阔的水域。
  为了捕捉振动、声波、风、水力或人体运动产生的机械能,王中林博士和他的研究团队发明了体积小到几毫米的纳米发电机。王中林博士在该领域的成就激发了全球学术界和纳米行业研究微纳系统能源的热潮。
  王中林博士表示:“纳米设备有广阔的应用空间,日常生活处处都能用到它。纳米设备可以改造成任何一种有运动物体作为自供电来源的电子系统。”
  纳米发电机在医疗设备领域的应用前景尤其广阔,无线纳米设备和纳米系统可现场应用于实时可植入式生物传感器。比如,王中林博士和他的研究团队成功研发了一款可植入式摩擦纳米发电机(iTENG),可吸收活体成年动物产生的生物机械能。
  简单地说,这款可植入式摩擦纳米发电机使用的是两块不同的材料——一张电子供体和一张电子受体。两块材料接触时,电子由一张材料流向另一张材料。而当两块材料分离时,其中一块材料保有电荷,电荷由两块材料之间的空隙隔离开来。接下来,如果将一个电负载连接到两块材料表面外缘的两个电极上,就会产生小股电流流动,从而平衡电荷。
  王中林博士和他的研究团队将这款可植入式摩擦纳米发电机植入了一头猪的心脏。该设备利用猪的心跳产生的电能来监测猪心脏传输给设备的心脏生理数据,连续监测时长达72小时以上。该发电机不但提供了监测所需的电能,还为猪心脏和传输数据产生的处理信号提供了电能。
  由于这种发电机是活体内(在活生物体内)设备,所以是采用包裹法构造而成,即用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯薄膜等生物相容性材料包裹发电机。因此,该设备经久耐用www.cechina.cn,不泄漏,不腐蚀,反应也十分灵敏。一经食药监局批准并投入商用,这类设备将有望用于自发电无线医疗监测。
  王中林博士的另一个研究领域是将人体转化为自发电系统。他的团队开发出了多个用于健康手环和智能腕表的能量管理系统www.cechina.cn,这些系统能够从跑步、行走或轻敲手指等人体运动中获取能量。
  研究人员还尝试通过纺织品从人的活动中获取能量——穿上这种特殊的“发电”衬衫或外套CONTROL ENGINEERING China版权所有,军人、远足爱好者之类的人群就可以在运动时获得能量。他们研发了首台微光纤-纳米线复合纳米发电机,该发电机利用织物纤维将人体运动、肌肉收缩或血压等机械运动转化为能量。王中林博士称:“试想一下,如果帽子通过太阳能获得电能,或者鞋子通过行走获得电能,这样就能追踪走失儿童或者痴呆症患者的位置了。”
  王中林博士认为,自发电系统对纳米物联网的未来发展至关重要,因为这项技术会产生多种全新的传感器应用方法,尤其是在需要使用微型设备的情况下。说到该技术的商业化,王中林博士认为已经为时不远。他表示:“非医疗用纳米发电机未来几年内即可上市。而需获食药监局批准的医疗设备上市时间可能稍长,大约需要5年左右。”
  未来几周敬请关注有关纳米物联网的更多资讯。

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