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用体温“发电”的衣服

服装面料可以有多少种用途?结合现代技术,一块看似普通的面料可以变色、调温甚至充当电子设备,检测穿戴者的生命体征。美国普渡大学比尔克纳米技术中心的研究员Kabuki Yazawa提出了一种新的可能性―发电。
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这大概是最节能的“发电机”了,因为能量来源正是穿戴者的体温。Kabuki Yazawa发明的热电半导体丝线,能从接触到的各种物体表面吸收热量,然后转化成电能。在实验中,Kabuki Yazawa发现当这种材料与人体接触时,能够产生微弱的电流。
热电半导体丝线由四个部分组成,由内到外分别是纤维芯、由纳米结构的铜锌硫化物构成的半导体、金属闸极和由高分子聚合物组成的外表层。将它织入服装面料,就得到了热电面料―也就是能将热能和电能相互转化的面料。
“这种新材料的诞生打破了传统热能发电机的局限性,”Kabuki Yazawa说,“它比普通的电热装置更加轻薄、灵活,能适应更广的温度范围。”
热电半导体丝线的工作原理即温差发电,这是一种常见的发电技术。早在1821年,德国科学家Thomas Johann Seebeck就发现,当一个电路回路中的两个接头存在温度差时,热量会从温度低的一侧转移到温度高的一侧并释放,这时电路周围会出现磁场。经过进一步实验,Seebeck发现回路中存在电动势,但这要求高温端的温度足够高。
除了热能发电机普遍具备的高效、无毒等优势外,热电半导体丝线得以应用的重要一点就是它能在人体体温环境下使用。
2014年,普渡大学公布的特色技术里就有“纳米结构的热电能转换”技术,但当时的技术成熟度只达到第三级―理论分析和实验室研究。
这项产品研发的关键点在于,如何让它变得更薄且更柔软,宜于裁制成衣服来穿着。
“传统的热电发电机需要至少1英寸()厚的元件才能产生足够的输出功率,但这么厚的元件几乎无法适用于任何可穿戴设备。”Kabuki Yazawa说。热电半导体丝线体积虽小,但要被织进衣物,让人体舒适地穿着,则对其柔软性提出了更高要求。Kabuki Yazawa认为材料的柔软性是限制该技术应用的关键问题,这也是他在接下来要着重解决的问题。
在将热能转化为电能的同时,热电半导体丝线还能给人体降温。热电元件在工作时会吸收热能,从而达到降温效果。这意味着热电半导体丝线除了充当“移动电源”之外,还有可能变成移动的空调。
但Kabuki Yazawa表示,这种材料降温幅度有限。跟专门的调温服装相比,热电半导体丝线不能随着人体和环境温度的变化时刻达到降温效果―只有当人体体温和环境温度的差值足够大时,热电装置才能运转。
智能面料一直是材料研究领域的热门课题,技术公司Google就热衷于此。它曾和美国伯克利大学合作研制会变色的智能纺线。去年5月,Google与李维斯(Levi’s)合作推出了智能面料―Project Jacquard。研究人员将电子产品特有的触摸功能和手势功能植入面料。不同于以往单纯将电子设备缝入成衣的思路,Project Jacquard是由导电纤维直接织成的。
这和Kabuki Yazawa研发的热电半导体丝线类似。这样做的好处是让智能设备成为面料本身,服装设计师把它当作一块普通面料来设计并制作成衣。