無(wú)需充電!可穿戴設(shè)備能量收集技術(shù)解析

對(duì)可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題之一就是如何在不把設(shè)備做得太大的同時(shí)保證足夠長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。最理想的情況是用戶完全不需要為設(shè)備充電，這就是為什么硬創(chuàng)邦一直在跟蹤報(bào)道的“iFind被Kickstarter暫?！笔录械闹鹘莍Find防丟Tag之前會(huì)如此受歡迎的原因，因?yàn)樗暦Q自己完全不需要充電，僅靠收集電磁能就可以維持運(yùn)轉(zhuǎn)，這非常不可思議。

iFind是不是欺詐仍有疑問(wèn)，但它提醒我們?cè)谕ㄍ挥贸潆姷睦硐胧澜缰飞锨靶校谶@條路上能量收集是重中之中。預(yù)想的未來(lái)中，可穿戴設(shè)備將可以通過(guò)光線、熱量或是振動(dòng)來(lái)獲取能量。這聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)，但可以收集能量的可穿戴設(shè)備其實(shí)已經(jīng)存在很多年了。例如日本精工發(fā)明了一款電磁發(fā)電機(jī)，通過(guò)用戶的身體運(yùn)動(dòng)來(lái)為其石英表供電。

不過(guò)對(duì)當(dāng)今主要依賴傳感器、計(jì)算芯片和通信技術(shù)的可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，這些相對(duì)簡(jiǎn)單的能量收集方法不再足夠。但我們還有希望，已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的新技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的能源獨(dú)立。在能源收集方面，目前科學(xué)界和行業(yè)內(nèi)主要關(guān)注以下幾種技術(shù)：

太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池不是只有發(fā)電場(chǎng)、路燈這些大型應(yīng)用，我們將看到微型版本的太陽(yáng)能電池為可穿戴設(shè)備提供足夠的能量。不需要電池的太陽(yáng)能手表已經(jīng)存在很多年了，EnergyBionics最近開(kāi)發(fā)的一款太陽(yáng)能手表不僅可以滿足自身需求，還可以為其它設(shè)備供電。

把太陽(yáng)能電池應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的一大問(wèn)題是，設(shè)備需要光照才能發(fā)電，一旦光線被遮住，比如在袖子下面，就沒(méi)法產(chǎn)生能量了。不過(guò)從另一個(gè)角度看，這也讓太陽(yáng)能電池成為智能服裝的一個(gè)好選擇，柔性電池甚至可以直接縫進(jìn)織物中去。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)針對(duì)的是太陽(yáng)光，因?yàn)樘?yáng)光的強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于室內(nèi)常見(jiàn)光源。為解決這一問(wèn)題，一些新材料正在開(kāi)發(fā)出來(lái)，能夠在室內(nèi)發(fā)電，效率也大大提高。

熱電收集

熱電收集是把熱能轉(zhuǎn)換為電能，使用的物理原理叫塞貝克效應(yīng)。珀耳帖元件加上一對(duì)特定的半導(dǎo)體，只要出現(xiàn)溫差就會(huì)產(chǎn)生電流。

對(duì)可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端。產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量，因而對(duì)緊貼皮膚，能量需求又高的設(shè)備來(lái)說(shuō)很有潛力。熱電回收的一大優(yōu)勢(shì)是能量源源不斷，不管是室內(nèi)還是室外，白天還是黑夜都能利用。

壓電收集

壓電收集把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在壓電元件中，由于壓電效應(yīng)，只要元件受到機(jī)械力操縱就會(huì)產(chǎn)生微小的電流。在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，壓電元件的設(shè)計(jì)通常是靠行走、呼吸或手的運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。

壓電收集所產(chǎn)生的能量相對(duì)較少，這使它的應(yīng)用主要限制在耗電較少的設(shè)備以及總是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的身體部位?？茖W(xué)家正在研發(fā)的聚合物壓電纖維具有柔韌透氣的特點(diǎn)，可以置入織物當(dāng)中，也有很廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

優(yōu)化可穿戴設(shè)備的電量存儲(chǔ)和消耗

想要讓可穿戴設(shè)備徹底不用充電，能量收集只是一方面。能量存儲(chǔ)是另一個(gè)有很大提升空間的方面。這方面超級(jí)電容器和石墨烯潛力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善電池和電容的效率，從而提高可穿戴設(shè)備的整體性能。而結(jié)構(gòu)電容器可以把可穿戴組件變成能量存儲(chǔ)器，從而不需要額外空間來(lái)安放電池。

另一個(gè)讓可穿戴設(shè)備提高續(xù)航甚至完全不用充電的方法是大幅減少傳感器、芯片和通信系統(tǒng)的能量消耗。智能手機(jī)的成功推動(dòng)了低能耗高性能芯片的發(fā)展。可穿戴設(shè)備的處理器所需要計(jì)算能力和能量還更少。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，包括Intel在內(nèi)的芯片大廠正通過(guò)把處理器、內(nèi)存和通信模塊整合到單一芯片中去，從而減少常見(jiàn)的一些能量損失。

選擇最高效的連網(wǎng)技術(shù)對(duì)減少能量消耗也有很大幫助。展望未來(lái)，越來(lái)越多的傳感器和設(shè)備佩戴在身體的不同部分，使得名為“身體區(qū)網(wǎng)絡(luò)”的高效通信方式在節(jié)省能量方面潛力巨大。諸如EnOcean等公司開(kāi)發(fā)了優(yōu)化過(guò)的協(xié)議，使用相對(duì)IPv6更短的數(shù)據(jù)電報(bào)，從而讓同等量級(jí)的信息傳輸所消耗的能量顯著降低。

所有這些不同方面的改進(jìn)都在推動(dòng)可穿戴設(shè)備步入一個(gè)不用充電的時(shí)代，同時(shí)大幅提高性能表現(xiàn)。加上無(wú)線充電等技術(shù)，消費(fèi)者可能很快就會(huì)看到可穿戴設(shè)備用戶體驗(yàn)的大幅提升，而這也會(huì)進(jìn)一步把可穿戴推向更廣泛的市場(chǎng)。