可穿戴設(shè)備的能源供給研究進(jìn)展

梁嘉文，李婷婷，嚴(yán)占林，張 斌，曹重陽，傅智芳，陳乃超

(1.國網(wǎng)甘南供電公司,甘肅甘南 747199； 2.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

發(fā)電供能行業(yè)朝著綠色、健康、環(huán)保的方向發(fā)展。常用的新能源發(fā)電包含風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[1]、太陽能發(fā)電技術(shù)[2]、水能發(fā)電技術(shù)[3]、地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)[4]等。這些可再生能源有利于保障人們的生活與生產(chǎn)，促進(jìn)供能行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，可穿戴設(shè)備逐漸進(jìn)入人們的生活中，可以輕松、舒適地穿戴在人體部位上，如圖1所示，起到保護(hù)、監(jiān)測、預(yù)警的作用，因此，得到了廣泛的關(guān)注[5-6]?？紤]到人們活動環(huán)境的復(fù)雜性，開發(fā)持久性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的可穿戴技術(shù)對可穿戴設(shè)備的廣泛應(yīng)用具有重要作用[7]。例如，隨著現(xiàn)代電力行業(yè)的飛速發(fā)展，智能化可穿戴電子設(shè)備在電力巡檢運維作業(yè)過程中的作用日益突顯，需要更多智能化、易操作的可穿戴設(shè)備與巡檢人員的高強(qiáng)度工作匹配。然而，目前巡檢現(xiàn)場的大多數(shù)智能柔性可穿戴設(shè)備不能獨立工作，需要依靠外部電源。由于可穿戴設(shè)備有限的設(shè)計空間不利于儲能設(shè)備的擴(kuò)容，同時冗雜的電源會帶來不可避免的電子垃圾和環(huán)境破壞。缺乏靈活、可伸展和小型化的能源供應(yīng)設(shè)備導(dǎo)致不能為長時間的工作下提供足夠的電能[8]。因此，設(shè)計獨立、輕便、長續(xù)航的供能設(shè)備迫在眉睫。

圖1 可穿戴設(shè)備佩戴部位

當(dāng)前，通過外部能量轉(zhuǎn)換成電能供給微型設(shè)備的技術(shù)還處在初級階段，如壓電材料利用壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化為電能[9]，輸出電壓由施加在壓電材料的機(jī)械應(yīng)力大小決定，但是在微型設(shè)備上設(shè)計微型壓電結(jié)構(gòu)仍然具有較大難度。因此，如何將成熟的電能生產(chǎn)技術(shù)運用到智能可穿戴設(shè)備成為當(dāng)前研究的熱點。此外，現(xiàn)代集成電路不斷朝著低工作電壓和低能耗的方向發(fā)展，降低設(shè)備供能的要求，因此，可穿戴設(shè)備的能耗也需要進(jìn)一步降低。目前可穿戴設(shè)備的供能主要通過外部充電的電池提供，需要不斷地進(jìn)行外部補充電能，一定程度限制了設(shè)備的自主性[10-11]。綜上所述，新型供能技術(shù)的發(fā)展顯得非常迫切，其研究成果有利于擴(kuò)大可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。

持續(xù)的能源供應(yīng)作為可穿戴電子設(shè)備的運行基礎(chǔ)，其優(yōu)化改進(jìn)和創(chuàng)新型研究對可穿戴系統(tǒng)具有重要的意義和影響。本文綜合了近年來的多項研究成果，首先從微能采集和能量儲存角度對可穿戴設(shè)備供能研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述；其次，深入探討了兩種技術(shù)集成的應(yīng)用研究；然后，介紹了自供電傳感器與兩者耦合的創(chuàng)新研究；最后，對可穿戴設(shè)備供電的未來趨勢進(jìn)行了展望。

1 微能采集與能量儲存技術(shù)

在現(xiàn)有應(yīng)用環(huán)境下，可穿戴系統(tǒng)的功能不斷增強(qiáng)，但是也衍生了設(shè)備能耗愈漸嚴(yán)重、供能不足的缺點，該發(fā)展趨勢可能還將持續(xù)較長時間。對于傳統(tǒng)的供能與傳感分離類型的可穿戴設(shè)備，開發(fā)具有能源采集技術(shù)的功能，彌補外部電池儲能能力的不足是解決可持續(xù)性問題的有效手段之一。目前，能源供給來源多種多樣，不再局限于設(shè)備自身與電能直接進(jìn)行補充，更多地從周圍環(huán)境中獲取能量，例如采集太陽能、環(huán)境熱能、電磁能和機(jī)械能等[12]。這些能量的獲取可以突破植入式和傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備電池供能的充電限制，從而可以確保設(shè)備的持久性供能。

1.1 微能采集技術(shù)

采集周圍環(huán)境能量為可穿戴設(shè)備提供電能稱為微能采集。為了延長可穿戴電子設(shè)備電池壽命，需要避免頻繁地重復(fù)充電，這也有利于電池壽命和人員健康。在過去的十年里，微能量采集發(fā)電機(jī)技術(shù)供能可穿戴電子設(shè)備成為研究熱點，其通過轉(zhuǎn)化外部環(huán)境中的微能量為電能提供給供能設(shè)備能量，例如摩擦電發(fā)電機(jī)(TENG)[13]、熱電發(fā)電機(jī)(ThEGs)[14]，機(jī)械能發(fā)電機(jī)(TEGs)[15]和壓電發(fā)電機(jī)(PEGs)[16]，太陽能電池[17]等。但是仍需要提升與微能量發(fā)電機(jī)匹配的傳感技術(shù)水平，以便更好地獲取準(zhǔn)確的微能數(shù)值，實現(xiàn)高效供能。此外，發(fā)展采集與儲能一體化技術(shù)，實現(xiàn)互補供能，從而實現(xiàn)穩(wěn)定供能。常用的可穿戴設(shè)備微能來源如圖2所示。

圖2 可穿戴設(shè)備微能來源

1.1.1 機(jī)械能的利用

機(jī)械能的收集方式有多種，如行走等產(chǎn)生電能的壓電采集器，機(jī)械振動導(dǎo)致可變電容變化產(chǎn)生電能的靜電發(fā)電機(jī)，人體運動帶動切割磁感線產(chǎn)生電能的電磁感應(yīng)收集器，摩擦產(chǎn)生靜電電荷的摩擦發(fā)電機(jī)等[18]，如圖3所示。在諸多能量來源中，利用人體運動產(chǎn)生電能的方式應(yīng)該是可穿戴設(shè)備最有利的解決方案之一。

圖3 振動能量采集轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)機(jī)械能微型發(fā)電機(jī)對濕度敏感，存在著機(jī)械損壞和失效，發(fā)電不連續(xù)等問題[19]。結(jié)合納米技術(shù)以摩擦納米發(fā)電機(jī)為代表的新型發(fā)電機(jī)，不僅重量輕、材料選擇豐富、結(jié)構(gòu)多樣、易生產(chǎn)且成本低，還具有高柔性、供能穩(wěn)定、適用性強(qiáng)等特性，可以與各種微型發(fā)電裝置有效結(jié)合[20]，工作原理和應(yīng)用如 表1 所示。但是，在能量容量、摩擦波動性以及電阻抗性等方面仍需要進(jìn)一步改進(jìn)[21-22]。Qiu等[23]通過靜電紡絲和電噴霧的方法來構(gòu)建可穿戴的動力紡織品，從人體運動中獲取多種生物力學(xué)能量，并有效地將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，該織物的有效面積為 16 cm2，在50 MΩ的負(fù)載下可以提供80 mW/m2的功率密度。但由于人體運動存在的非穩(wěn)態(tài)振動導(dǎo)致供能不穩(wěn)，需要制定相應(yīng)的框架以提高輸出功率[24]。Roudneshin等[12]提出結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和分析的方法獲取庫侖力參數(shù)發(fā)生器裝置(CFPG)中靜電力最優(yōu)值，從而使輸出功率最大化。隨后采用絕對加速度自適應(yīng)估計最優(yōu)靜電力的新方法，結(jié)果顯示基于動能的微能收集器輸出功率有較大改善[25]。

表1 摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

綜上所述，機(jī)械能采集表現(xiàn)出可控、緊湊和輕質(zhì)的優(yōu)點，但是，時常會因為輸出電壓過高造成設(shè)備損壞，同時結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要通過相關(guān)電路進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)[26]。

1.1.2 熱能的轉(zhuǎn)化

熱能收集和轉(zhuǎn)化主要通過熱電材料獲取電能，通過PN結(jié)將熱能轉(zhuǎn)化電能，如圖4所示[19]。由于傳統(tǒng)熱電材料存在機(jī)械穩(wěn)定性差、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題，Duan等[27]基于密度泛函理論和玻爾茲曼傳輸計算，利用拉什巴型自旋軌道耦合和平面外電偶極之間的協(xié)同效應(yīng)，制作出最大室溫?zé)犭妰?yōu)值(ZT)為0.41的WSTe材料，其具有較低的熱導(dǎo)率與良好的熱電轉(zhuǎn)換效率，成為優(yōu)選的二維可穿戴材料之一。同時，依靠人體來收集能源，通過人體皮膚發(fā)出的熱能進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。由于體溫與外界溫差將產(chǎn)生浮力氣流，可以帶動渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能[28]，或直接利用溫度梯度發(fā)電[29]。

圖4 熱電轉(zhuǎn)換原理

熱能轉(zhuǎn)化有著易于維護(hù)、獨立組網(wǎng)、拓展性高的優(yōu)點，但其存在不可控制的能量輸出和較低能量密度的缺點，需要設(shè)計一定的能量管理策略來減少熱能的損失，從而提高熱能利用率。

1.1.3 無線能量的收集

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，通過整流天線從射頻中獲得能量逐漸成為研究熱點。整流天線將射頻波轉(zhuǎn)換為可用的能量，以驅(qū)動電子設(shè)備。用于收集能量的射頻波的功率取決于發(fā)射器和接收器之間的距離[30]。射頻-直流轉(zhuǎn)化器是射頻能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)核心，Noghabaei等[31]提出了金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的整流器分析模型，在 5 MΩ 負(fù)載下輸出為-25.5 dBm，在100 MΩ負(fù)載下 -29 dBm，在-16 dBm輸入功率下測量峰值端到端效率為42.4%，可為450 kΩ的負(fù)載提供 2.19 V 輸出電壓。提高了轉(zhuǎn)換器的靈敏度和輸入功率范圍。微波也是無線電力轉(zhuǎn)換的主要形式之一，將接收到的微波或射頻能量轉(zhuǎn)換為直流[32]。由二硫化鉬構(gòu)成的整流器可將有效地將電磁波轉(zhuǎn)化為直流，并產(chǎn)生較高功率[33]，同時，其可以實現(xiàn)大規(guī)模柔性制造，未來有望可以得到廣泛應(yīng)用。

無線能量收集可以很好地結(jié)合到生活場景中，可操作性高，但是輸出能量功率偏低，容易受環(huán)境干擾，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。

1.1.4 光能的吸收

光能相較于其他能源的采集，具有廣泛性、易采集、普適性強(qiáng)等優(yōu)點，但是不適用于室內(nèi)作業(yè)，且受時間和天氣等多種外界環(huán)境的影響。目前染料敏化、有機(jī)薄膜、量子點以及鈣鈦礦太陽電池將有望成為可穿戴設(shè)備光能采集的有效手段[34-35]。Landerer等[36]設(shè)計的一種由半透明有機(jī)太陽能電池，可以實現(xiàn)在低至500 lux光照強(qiáng)度下獲取電能。其可在光線不足的條件下，為太陽能眼鏡進(jìn)行自行供電。王遠(yuǎn)飛[37]提出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助優(yōu)化電路設(shè)計，通過構(gòu)建負(fù)反饋控制環(huán)路，實現(xiàn)對太陽能電池最大功率的低成本、高精度自適應(yīng)追蹤，驗證的太陽能電池平均追蹤誤差僅為0.265%，峰值轉(zhuǎn)換平均效率為86.21%，此類高性能的微能采集裝置，可以有效地收集環(huán)境中的太陽能，大大提高可穿戴設(shè)備使用無線傳感器的續(xù)航能力。

光能吸收有著環(huán)保、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但是太陽光供能對天氣的依賴較大，獲得的能量密度變化大、不穩(wěn)定。

1.1.5 濕氣能的采集

通過吸收大氣中廣泛存在的氣態(tài)水分子，從而轉(zhuǎn)換為電能的過程稱為濕氣能的利用[38]。其目前重要的研究方向為：在復(fù)雜和高度可變形工作條件下，研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化石墨烯(GO)高性能的濕電發(fā)生器提高發(fā)電機(jī)性能。Yang等[39]設(shè)計了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的石墨烯基水電發(fā)生器(GHEG)，該發(fā)生器可以組裝成從平面幾何到空間的各種結(jié)構(gòu)，在大氣濕度的變化下，輸出電壓容易達(dá)到1.5 V，可變形的特性使得GHEG可以應(yīng)用于復(fù)雜表面、人體，以及商業(yè)電子元件。Shao等[40]開發(fā)的基于GO的同軸纖維狀濕電發(fā)電機(jī)(FHEG)，在70%的濕度下，可以提供0.21 μW/cm的功率密度，同時與織品的兼容性增強(qiáng)了在可穿戴方面的應(yīng)用。同時，上述設(shè)備皆可通過簡單的串聯(lián)/并聯(lián)方式，將能量提高到所需的合適數(shù)值。為了改良濕電發(fā)生器(HEG)存在材料昂貴和短期功率輸出不利等缺點，Ren等[41]利用易制備的硫還原地桿菌薄膜和低成本的氧化銦錫電極制備全細(xì)胞HEG，開路電壓達(dá)到0.3 V，負(fù)載電流達(dá)到0.3 μA，功率密度達(dá)到2.5 μW/cm2，持續(xù)時間超過2160 h，可以從環(huán)境濕度中產(chǎn)生可持續(xù)的濕電，極大地推動濕電技術(shù)的實際應(yīng)用。相關(guān)裝置由于材料的特殊性，還可檢測人類呼吸的水蒸氣以及環(huán)境濕度的變化，增強(qiáng)了自供電傳感器技術(shù)[42- 43]。

濕氣能的利用有著環(huán)保低碳、易制造、能量輸出可控的優(yōu)點，但是輸出功率偏低、多設(shè)備串聯(lián)存在功率損耗和互相影響，同時形狀、體積的復(fù)雜度會相應(yīng)提高。

1.1.6 多能量采集

為了提高與可穿戴設(shè)備的兼容性，拓寬自供電納米設(shè)備的覆蓋面，Lee等[44]通過結(jié)合太陽能電池、摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)和壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)，提出一種柔性混合納米發(fā)電機(jī)(FHNG)，可以分別同時收集電能和雨滴的沖擊能量，具有自潔特性和在陽光和雨滴下的高輸出性能。Yu等[45]提出射頻(RF)和太陽能聯(lián)合采集系統(tǒng)，通過利用透明天線，整流器和太陽能電池可以增大輸出功率的范圍，適應(yīng)更多應(yīng)用場景的同時，還獲得多于單個太陽能電池的額外功率，如圖5所示。Li等[46]設(shè)計了集成壓電和電磁轉(zhuǎn)換兩項技術(shù)的可穿戴毫米級能量發(fā)生器，可以從人類運動的動能中獲得2.1 W的瞬時功率，產(chǎn)生的功率密度比最先進(jìn)的單體工作高出一個數(shù)量級，經(jīng)實驗驗證可以為180 mAh鋰電池在數(shù)十分鐘內(nèi)快速充電。未來，需要更多的能源結(jié)合技術(shù)使得可穿戴設(shè)備的供能效率更加高效。

圖5 混合采集器在人體上的應(yīng)用

1.2 能量儲存技術(shù)

常見的儲能設(shè)備有電解電容、鋰離子電池和超級電容器。但在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用中，電解電容較少與能量采集設(shè)備結(jié)合使用，超級電容器存在能量密度低的不足，鋰離子電池存在充電頻繁、安全性差，會對環(huán)境造成破壞等缺點[37]，相關(guān)儲能設(shè)備的技術(shù)特點如表2所示。在能量采集技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，可穿戴設(shè)備需要具有靈活、耐用、安全、能源密度高的儲能特點，因此，可穿戴技術(shù)的發(fā)展離不開與儲能技術(shù)的協(xié)同。

表2 微型儲能技術(shù)特點

Zhang等[47]通過集成鋰離子電池和非晶硅太陽能組件，設(shè)計出柔性電源用于可穿戴設(shè)備供電，可以增加可穿戴設(shè)備的柔性化應(yīng)用。Rajendran等[48]設(shè)計一種絲網(wǎng)印刷的柔性可拉伸超級電容器，作為能量緩沖元件為可穿戴設(shè)備供電，在電流密度 0.4 mA/cm2的情況下，電極擁有167 mF/cm2的最高面積電容，顯示出14.9 μWh/cm2的面積能量和0.29 mW/cm2的功率密度。另外，該超級電容器與柔性太陽能電池的結(jié)合，可以在太陽光強(qiáng)度較弱的條件下為可穿戴設(shè)備供電。Vaghasiya等[49]利用汗水作為電解質(zhì)，設(shè)計電極和電解質(zhì)高生物相容性的柔性超級電容器供電設(shè)備，佩戴者運動時可直接貼在皮膚和衣物上，該設(shè)備表現(xiàn)出優(yōu)異的比熱容、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性和彎曲穩(wěn)定性。超級電容器在人體上的分布如圖6所示?；诩{米片的可穿戴超級電容器的能量密度雖然低于電池，但是其充放循環(huán)優(yōu)于電池，充電更快，可以更好地滿足可穿戴設(shè)備能源需求[47]。Jiang等[50]設(shè)計的獨特超級電容器具有分層的Ni@MnO2納米分支結(jié)構(gòu)，通過簡便的電化學(xué)沉積方法支撐在透明且靈活的獨立鎳網(wǎng)上，分層電化學(xué)沉積方法如圖7所示，將超級電容器裝置的性能提高到19.65 mF/cm2，與平面電極(2.1 mF/cm2)具有相同數(shù)量級，其中透明度可達(dá)到77%，為開發(fā)具有高透光性和機(jī)械可靠性的可穿戴式儲能設(shè)備提供了一種簡單的電容增強(qiáng)方法。

圖6 生物超級電容器

圖7 分層電化學(xué)沉積法

為了降低可穿戴設(shè)備的制造成本，Yan等[51]通過噴墨打印技術(shù)在柔性基材上實現(xiàn)高圖案分辨率和均勻性結(jié)構(gòu)，以獲得高效的電、光學(xué)性能。在實現(xiàn)可穿戴設(shè)備儲能目的的同時，還可應(yīng)用于傳感器、顯示器、晶體管，為可穿戴系統(tǒng)提供新的發(fā)展方向。

1.3 能量管理策略

由于微能采集和能源儲存需要相應(yīng)的控制與調(diào)節(jié)電路，因此制定系統(tǒng)級的能源管理策略非常必要，以便提高其在可穿戴系統(tǒng)的使用效率、可靠性和實用性。可穿戴設(shè)備在運作過程中，存在各種輸出特性如電壓和頻率，制定能源管理策略可以確?？纱┐髟O(shè)備電源的穩(wěn)定輸出[52]。具有能源自主性、可靠性、實用性的可穿戴式電子系統(tǒng)，也符合當(dāng)前微電網(wǎng)的研發(fā)愿景[53]。目前研究可以歸納為：a)太陽能電池作為應(yīng)用最廣泛設(shè)備之一，需研究其多維、高精度的電學(xué)特性模型，同時，精確追蹤太陽能獲取最大功率并制定策略；b)功率轉(zhuǎn)換器用于克服電壓適配，需研發(fā)適合多電路類型的分析模型，進(jìn)一步提高電容型轉(zhuǎn)換器效率，實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點追蹤；c)微能采集容易受環(huán)境影響，具有不穩(wěn)定的特性，需要借助輔助作用的儲能元件，設(shè)計能量管理拓?fù)浼軜?gòu)，平衡可穿戴設(shè)備的供能與耗能。

1.3.1 能源收集管理策略

Benhammane等[54]使用微型太陽能電池與安裝在太陽能跟蹤器上的光學(xué)器件建立模型，聚焦太陽光束增加能量收集密度。該模型中加入太陽光束輻照度、環(huán)境溫度和空氣質(zhì)量等氣象參數(shù)，特別是太陽輻射的光譜特性，分析了轉(zhuǎn)換過程與成本，同時還保證了能量輸出效率。Millah等[55]構(gòu)建二極管模型研究3種常用太陽能電池板的材料，獲取在遮陽條件下最大功率和最短響應(yīng)時間的材料，實現(xiàn)跟蹤效率最高、節(jié)能和節(jié)時，可以為其他能源收集裝置增加功率提供參考。圖8為加入模型算法后的功率轉(zhuǎn)換模型，用來進(jìn)行能量收集管理。Yao等[56]提出了升壓和全橋集成薄膜電容轉(zhuǎn)換器，經(jīng)仿真和實驗結(jié)果分析，可用于輸入電壓變化范圍大的燃料電池和太陽能電池，從而提高能量輸出效率。

圖8 用于能量采集的電子轉(zhuǎn)換器

TENG因為脈沖輸出的存在，需要一定的電源管理電路，如交直轉(zhuǎn)換器或間歇操作電路。Kawaguchi等[57]提出由晶體管組成的簡單而高效的間歇性操作電路，從存儲電容器到負(fù)載的能量傳輸效率達(dá)到89%，較好地適用在TENG的可穿戴電子設(shè)備。Mayer等[58]提出適用于動能采集傳感器的電源管理電路，如圖9所示，旨在以自適應(yīng)的電壓比例和高可靠性供應(yīng)負(fù)載，結(jié)果表明實驗測試采集效率高達(dá)79%。

圖9 電源管理電路

可穿戴自供電設(shè)備吸熱可以很好地轉(zhuǎn)化為電能，但存在設(shè)備的散熱問題，Malakooti等[59]使用液態(tài)金屬(LM)復(fù)合材料作為熱電發(fā)電機(jī)(TEGs)的輔助裝置，傳遞人體皮膚熱量給熱電模塊，增加了設(shè)備的散熱性能，增強(qiáng)了可穿戴設(shè)備的發(fā)電能量和柔性、可拉伸性。

1.3.2 能量儲存管理策略

對可穿戴設(shè)備收集到的能量進(jìn)行分配也是提高能量利用率，減小能耗的重要措施。Xiao等[60]提出了優(yōu)化能量分配算法，如圖10所示，最大限度地減少人體運動能量的損失，提高可穿戴設(shè)備的能源利用效率。Lattanzi等[61]聯(lián)合不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對內(nèi)存使用、能源消耗和執(zhí)行時間進(jìn)行分析，建立多層感知網(wǎng)絡(luò)，增加了內(nèi)存使用量，極大地降低了能耗。Wang等[62]根據(jù)光敏分子相互作用，通過離子形式優(yōu)化了聚合物異構(gòu)化動力學(xué)，以增加能量儲存能力，并優(yōu)化了低溫選擇性放熱能力，為可穿戴設(shè)備能量儲存提供了新途徑。

圖10 能源分配框架

2 集成技術(shù)的研究

獨立的能量采集或能量儲存存在各自的局限性，能量采集需要額外的單元來儲存能量，能量儲存的電能來源不穩(wěn)定。TEGs和PEGs的運行需要機(jī)械運動。自然環(huán)境中，TENG能量采集裝置存在不穩(wěn)定性阻礙。太陽能電池僅適用于日照光充足的情況下才能工作，不利于室內(nèi)作業(yè)，且受外界環(huán)境的影響，同時材料的特殊性使生產(chǎn)成本和耐用性受到很大限制[63]。可穿戴電子設(shè)備的可靠性和可持續(xù)性，取決于兩個模塊的合理整合和相應(yīng)的控制與調(diào)節(jié)電路。

常見的集成技術(shù)主要是將人類自身的能量轉(zhuǎn)化為電能，同時儲存在電池中有效供能。Beyaz等[64]研發(fā)由多個壓電盤裝置，通過3D打印封裝和整流電路，貼合在人體腰部，將腰部運動轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在電池中。Krishnamoorthy等[65]開發(fā)了壓電驅(qū)動式自充電超級電容器動力電池(SCSPC)，收集和儲存電能在同一個單獨系統(tǒng)中進(jìn)行，利用壓電電化學(xué)光譜實現(xiàn)SCSPC中的壓電電化學(xué)能量轉(zhuǎn)移和儲存。Gilshteyn等[66]將壓電聚合物亞乙烯基-三氟乙烯(P(C12H13N5O4-C2HF3))與聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))薄膜整合到超級電容器系統(tǒng)中，實現(xiàn)了收集和儲存能量的目的，開路電壓在20 s內(nèi)達(dá)到500 mV，增加了裝置的靈活性、透明度和輸出功率。對于其他能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲的技術(shù)，會根據(jù)能量收集技術(shù)與存儲技術(shù)的適配程度，采取對應(yīng)的集成技術(shù)將能量存儲到儲能設(shè)備。

對于應(yīng)用廣泛的微型發(fā)電機(jī)技術(shù)，如TENG與超級電容器的耦合技術(shù)在可穿戴儲能、集能應(yīng)用上具有巨大潛力，但是TENG存在耐磨性差，配置復(fù)雜，電輸出性能較低，受環(huán)境影響較大，制造成本高等缺點。通過繞線編織策略，TENG紡織品可以將各種生物運動能量轉(zhuǎn)化為電能，采用柔性紗線[67-68]將不對稱超級電容器與TENG編織在一起進(jìn)行儲能也是有效的方法?？梢钥闯?，通過特殊結(jié)構(gòu)如納米材料將儲能和集能耦合，可以有效避免相應(yīng)功能的缺點，為能源供給帶來了許多的便利。

3 自供電傳感器

傳感器是可穿戴設(shè)備的核心技術(shù)，但是傳統(tǒng)的傳感器必須添加電池裝置供電。隨著人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，自供電傳感器可以為傳感裝置提供電源[69]，同時通過結(jié)合納米柔性材料[70]可以提供良好的材料兼容性，增加可穿戴設(shè)備的延展性、靈活性。為實現(xiàn)植入式和可持續(xù)的可穿戴電子設(shè)備，自供電傳感器技術(shù)將自供電與傳感集成于一體，解決了目前大多數(shù)傳感器不能獨立工作，必須依賴外部電源的缺陷。運用新型微能采集或能量儲存抑或二者集成技術(shù)，使得傳感設(shè)備在惡劣的環(huán)境中可以持續(xù)工作，收集更多的作業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析庫。當(dāng)傳感器具有自供電特點[71]，可以與無線傳輸設(shè)備聯(lián)合，為未來巡檢現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了更多了集成參考。自供電傳感器功能框架如圖11所示。

圖11 自供電傳感器功能框架

在傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備的電源中，傳感器主要由酶生物燃料電池供電。但是作為帶有酶電極的設(shè)備，其穩(wěn)定性會受到如pH值、溫度、鹽離子或表面活性劑等因素影響，還存在制造難度大、成本高、可持續(xù)性不強(qiáng)的缺點。利用人體潛在資源如運動、汗水、體溫等進(jìn)行自供電可以有效地解決相關(guān)問題[72]。Liu等[73]研究了聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜，用于監(jiān)測排球運動員扣球手勢的新型自供電可穿戴運動傳感器。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的同時將壓電信號輸出運動信息，實時監(jiān)測比賽中的細(xì)微動作和脈搏變化，反應(yīng)技能。Lu等[74]研發(fā)聚偏氟乙烯與極化后的鍍銀電極和柔性聚酯基片組合，根據(jù)運動的狀態(tài)產(chǎn)生不同的壓電信號，監(jiān)測和分析運動員的滑行角度、頻率和推開技術(shù)，從而改善訓(xùn)練和提高成績，同時壓電信號可以為電容器充電，為無線設(shè)備提供電源。本文總結(jié)了一些關(guān)于自供電傳感器的特點如表3所示。

表3 不同類型自供電傳感器特點

Li等[75]研究了在原有TENG的供電基礎(chǔ)上，加入人體感知、人機(jī)互動、人員識別和生成識別編碼信息。He等[76]制造了具有高度靈活性的紡織基發(fā)生器(TMEGs)，由于其靈活性和良好的性能，可以作為智能面具來監(jiān)測人類的呼吸，同時通過絲網(wǎng)印刷方法在不對稱織物上直接印刷電極陣列，實現(xiàn)TMEG的大規(guī)模集成固定在衣服上充當(dāng)便攜電源作用。

為了改良自供電傳感器的電容和生物感應(yīng)性能，Li等[77]采用基于疏水的表面功能化鈦酸鋇(FD-BTO)/聚偏氟乙烯(PVDF)復(fù)合薄膜的新型3D打印技術(shù)，制造出高壓性能的柔性自供電傳感器，表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和壓電系數(shù)，同時通過自供電打印傳感器陣列來檢測和分析人體運動情況。

為了提高自供電傳感器進(jìn)行自供電的同時保持傳感器的準(zhǔn)確性。Huang等[78]研發(fā)了離子型有機(jī)水凝膠的自供電傳感器，離子水凝膠被用作超級電容器的電解質(zhì)或傳感器的功能元件，其具有很高的靈敏度和耐久性，在健康檢測方面具有潛在應(yīng)用，同時把機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合到可穿戴系統(tǒng)中，為可穿戴設(shè)備提供新的前景。為了實現(xiàn)能量采集能力和傳感功耗之間的平衡，Gyanchandan等[79]建立了能量平衡模型的理論模型，提取人類生理數(shù)據(jù)，還可向移動設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)訪問。Hou等[80]提出了具有導(dǎo)電布電極和彈性織物基底的超柔性織物熱電發(fā)電機(jī)，同時具有溫度感應(yīng)和觸摸感知能力，提高了自供電傳感設(shè)備與衣物的兼容性，其中蛇形結(jié)構(gòu)的布電極，為可穿戴傳感器在衣物的分布方式提供形狀參考。

綜上所述，自供電傳感器技術(shù)進(jìn)行以下歸類總結(jié)：a)自供電傳感器可以在沒有外部電源的情況下持續(xù)工作，是可穿戴系統(tǒng)在智能社會中收集數(shù)據(jù)和擴(kuò)大數(shù)據(jù)維度的有效措施；b)目前多數(shù)自供電傳感器技術(shù)是在微型發(fā)電機(jī)、儲能裝置等的能量利用和材料特性基礎(chǔ)上，將其中的電信號轉(zhuǎn)化為傳感信息，或直接為傳感器供電，使自供電傳感器朝著低成本、易制造、可設(shè)計和多樣化的方向發(fā)展；c)自供電傳感器按工作位置可分為可穿戴式和植入式，多數(shù)供能模塊以此為應(yīng)用依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，可以很好地實現(xiàn)與人體的契合度。

4 總結(jié)與展望

本文對可穿戴電子設(shè)備的供能技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，歸納了微能采集技術(shù)、儲能技術(shù)、采集與儲能集成技術(shù)和新型自供電傳感器技術(shù)。分析了不同能量來源和不同能量需求的可穿戴供能設(shè)備的組成、特點、性能和優(yōu)缺點，為可穿戴設(shè)備可持續(xù)供能的科學(xué)選擇與關(guān)鍵技術(shù)分析提供了參考，助力可穿戴系統(tǒng)獲得最優(yōu)效率。目前，可穿戴技術(shù)仍然存在著一些技術(shù)瓶頸，需要通過不斷研究和大量實踐加以改進(jìn)和提升。隨著柔性化和小型能源集成設(shè)備的快速發(fā)展，極大地推動了能源供給技術(shù)在可穿戴設(shè)備中的創(chuàng)新研究。目前為止，小型化的器件、大功率的高效轉(zhuǎn)化、能量儲存量增強(qiáng)等技術(shù)都極大地促進(jìn)了可穿戴設(shè)備在巡檢等工業(yè)中的應(yīng)用。然而還存在以下挑戰(zhàn)：

a)供電設(shè)備運行可能會產(chǎn)生阻抗，從而導(dǎo)致額外的功率消耗，同時環(huán)境中還存在干擾傳感器運行因素，如噪音、熱量、自然光干擾等。為解決這一挑戰(zhàn)，需要通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備運行，并建立相關(guān)減少能耗機(jī)制，以實現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)和安全保障。

b)自供電傳感器技術(shù)需要朝著除去復(fù)雜的電路設(shè)計、耗時的數(shù)據(jù)處理和額外的電力來源方向發(fā)展，例如打印式可穿戴自供電化學(xué)傳感器具有統(tǒng)一、靈活、大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點，可以為多個領(lǐng)域的可穿戴便攜式傳感設(shè)備開辟新方向。

c)對于不同制造工藝的可穿戴設(shè)備，需要開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化流程，解決不同供電設(shè)備之間的性能校準(zhǔn)問題，使得設(shè)備可以大規(guī)模集群使用。

d)很多可穿戴供能設(shè)備涉及到化學(xué)材料或化學(xué)方法，如涉及到媒介物的毒性、生物電極的污染以及電極的保質(zhì)期等問題，未來需要進(jìn)行更多的生物相容性研究，來確保與人體結(jié)合的安全性。

e)納米材料是新型可穿戴供能設(shè)備的重要組成部分，但是基于納米片的電池和超級電容器的能量儲存有限，且納米設(shè)備制造成本高、工藝復(fù)雜。未來應(yīng)該建立低成本和良好成品率的納米片，同時致力于提高能量容量和促進(jìn)與可穿戴設(shè)備結(jié)合。

隨著可穿戴設(shè)備更廣泛的應(yīng)用，未來可以獲取大量可穿戴設(shè)備供能運行數(shù)據(jù)，更加深入地掌握設(shè)備的運行規(guī)律，結(jié)合智能算法分析，可以設(shè)計出更加智能、可靠、便捷、節(jié)能的可穿戴持續(xù)供能設(shè)備。