美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)的研究人員正利用納米技術，為超低功耗傳感器打造能量采集與儲存設備，這項獲得美國聯邦政府資金贊助的研究案，目標是實現不需電池、以人體發電的可穿戴式健康監測設備。

 

北卡羅來納州立大學旗下的整合式傳感器技術先進自供電系統中心(The Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors Technologies，ASSIST)正在開發兩種傳感器：一是用于生物電子、生物化學以及聲學監測的非侵入式健康傳感器，另外一種則是量測氣體、顆粒物質以及溫度的環境傳感器；研究的目標是針對環境如何導致生理信號的改變收集更精確的數據，以及開發多模式能量采集設備。

 

ASSIST的產業聯絡窗口Tom Snyder曾在今年初的國際消費性電子展(CES)上，展示了一款氣喘監測器，是透過用戶的呼吸來啟動與供電：“如果我們知道暴露在臭氧中，監測心電圖(EKG)以及知道身體的運動──氣喘的是可以在發生的24小時以前被預測到的；”他表示，目前這些原則正在進行研究。

 

那些可穿戴傳感器必須要是小型化、低功耗，而且定期進行數據傳輸；為此ASSIST與其研發伙伴正在開發多模能量設備，結合例如熱電(thermoelectric)以及動能(kinetic energy)等元素。而ASSIST將在下個月舉行的年度成果檢閱上，展示一款臂帶式EKG監測設備，能利用熱電能量無線傳輸數據到一個收集器。

 

“如果我們要做縱向的長期研究，我們不會希望資料收集中斷；因此如果你能找到一種自供電的方式，就能收集到更多、更完整且持續的資料；”Snyder指出，當可穿戴式設備變得常見，電力會是一個很大的問題：“購買那類設備的人們會使用一段時間，然后它們在六個月之內有大部分最后會被丟在抽屜里或是被拋棄，就是因為與電池相關的麻煩。”

 

熱電材料是導電的，但能隔熱；如臂帶式設備的案例是將體溫轉成電力；如果材料的某一面溫度比貼著皮膚的那一面低，溫度差就能驅動電壓用以收集能量。ASSIST的團隊也在針對軟性、納米級材料研究新的熱同步(heat syncing)技術，例如具備可拉伸電極，能更貼合于皮膚或從人體汲取更多的熱。

 

 

ASSIST 開發以熱能轉成電能的健康傳感器
 

 

此外ASSIST采用壓電材料采集動能，目標是在非常低的電壓下運作；Snyder指出，Seiko的動能手表是在內部有一個重量，能轉動馬達來產生電流與電力──ASSIST希望能利用此原則，在壓電組件加上一個重量，來采集旋轉或運動產生的能量。

 

Snyder表示，以上兩種能量采集方法都有實際應用、也能降低能源成本；舉例來說，醫療專業人員可用能量采集器來監測EKG或血糖值，而以動能采集為主的設備則能利用在資產追蹤或是運輸等對于監測產品震動有幫助的地方。

 

ASSIST打算開發一個完整的系統，需求的電力低于1mW (milliwatt)；Snyder表示：“最好是只有幾微瓦(microwatts)，然后我們就能采集足夠的能量，讓外觀非常小型化的系統能持續運作。”他有信心假以時日，能量采集技術甚至能收集到比需求量更多的電能，例如賓州大學正在進行研發的超級電容，是傳統電容與鋰離子電池的混合體：“那些超級電容具備創世界紀錄的能量密度以及低泄漏電流。”

 

另外 ASSIST 也正在與密歇根大學(University of Michigan)合作開發一種客制化射頻設備，目標是讓其耗電量比藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)技術低一千倍；目前研究人員正在測試各種可能的低功耗技術，包括射頻、傳感器與其他硬件。