我在最近的一篇文章“Niche Energy Harvesting: Intriguing, Innovative, Probably Impractical”中提到的一些研究项目，成功地从铁锈、木材、织物甚至夜间向空中散发的热辐射中采集能量——这些都不是太阳、热、振动和流体等常规意义上的能源。
无论是因为别无选择，还是因为“不花钱（或只花很少的钱）”而产生的巨大吸引力，能量采集的诱惑一直都存在，在实现能量采集的过程中人们充满创意。最近几个月，我看到了一些新颖的能量采集方法。我不敢说这些方法会被人们长期使用，尤其是对于一些受限的应用（不用电池，对能量采集的需求压倒一切），我甚至不敢说这些方法一定有用，但它们的确会激励人们探索。
我最近看到了三种能量采集方法：
环境湿度：马萨诸塞州大学阿默斯特分校的研究小组利用微生物地杆菌（Geobacter）产生的导电蛋白质纳米线来采集空气湿气（甚至在干燥气候下）所产生的能量。其电极连接到蛋白质纳米线上，通过大气中的水蒸气产生电流。
有些基于湿气的能量采集技术没有持续的转换机制，因此只能间歇性地爆发能量（通常在一分钟之内）。而这种薄膜器件能够在环境条件下产生连续电力，可在7µm厚的薄膜上产生约0.5V的持续电压，电流密度约为17µA/cm2。
当薄膜暴露在空气的湿气中时，内部会形成自我保持的水分梯度，这就是薄膜器件的能量来源（图1）。薄膜的底部位于一个电极上，另一个更小的电极（仅覆盖部分纳米线薄膜）位于膜的顶部，薄膜从大气中吸收水蒸气。由于蛋白质纳米线能导电，再结合其表面化学特性，加上薄膜的纳米线之间的细孔，便具备了在两个电极之间产生电流的条件。
图1：使用纳米线器件供电。（图片来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校/姚和洛夫利实验室）
在薄膜厚度约7µm、环境相对湿度约50％的条件下，Vo（黑色线）和Isc（红色线）随器件尺寸变化的情况如图1a所示。
在薄膜尺寸约1mm²、环境相对湿度约50％的条件下，Vo（黑色线）和Isc（红色线）随薄膜厚度（d）变化的情况如图1b所示。
将5个纳米线器件分别串联和并联后得到的Vo（黑色线）和Isc（红色线），与单个纳米线器件的Vo（灰色线）和Isc（紫色线）进行比较，如图1c所示。
纳米线器件给电容器充电后为LED（左）或LCD面板（右）供电，如图1d所示。
图1e显示了由纳米线器件供电的Ge/Si纳米线晶体管的源漏极电流（Ids）与栅极电压（Vgs）的关系及其电路图。
图1a和b中的误差线代表多次测量的统计平均值的标准差，其中n为3或更大。
相关的详细信息请参见发表在Nature杂志上的论文“Power generation from ambient humidity using protein nanowires”，以及“Supplementary information”。
降雪：由加州大学洛杉矶分校（UCLA）领导的多大学合作团队发明了一种雪基摩擦电纳米发电机雪腾（snow TENG），该技术利用了降落的雪带正电并释放电子的原理。
图2：降雪发电机（雪腾）的工作机制和有限元（FEM）仿真。（图片来源：加州大学洛杉矶分校）
图2显示了雪腾采用三种不同操作模式（包括敲击、滑行和降雪）时的工作机制，以及不同操作模式下的FEM仿真结果。当雪落在有机硅薄膜上时，会产生摩擦电荷。
研究人员发现有机硅产生的电荷比其他任何材料都多，他们采用3D打印构建了包含一个有机硅层和一个电极的器件（图3），这样就能够精确地控制电极和摩擦带电层的设计和沉积，从而得到柔性好、可拉伸且不含金属的雪腾。
图3：雪腾的3D打印过程和架构及其光学和机械性能。（图片来源：加州大学洛杉矶分校）
图3a显示的是雪腾打印过程的示意图。图3a-i显示了导电聚合物电极的打印，以及墨水的化学成分；图3a-ii显示使用紫外光固化有机硅墨水打印摩擦起电层，以及有机硅墨水的化学成分；图3b为器件的结构示意图，显示了紫外光固化有机硅的表面微图，左侧的SEM（扫描电子显微镜）图为不同放大倍数下的表面微图（比例尺分别为100µm和50µm）；图3c显示了雪基摩擦发电机的工作原理；图3d中的图片显示有机硅层的透明度很高，透过有机硅层可以看清背景中的麦克马斯特大学logo；图3e显示雪腾处于不同的拉伸情况下。
在特定条件下，该器件可产生高达0.2 mW/m2的瞬时输出功率密度，高达8V的开路电压和40 μA/m2的电流密度。若想了解相关理论、制造和测试的详细信息，请参见发表在Nano Energy上的论文：“All printable snow-based triboelectric nanogenerator”。
人体汗液：加州理工学院（Caltech）的一个团队开发了一种可以采集能量的电子皮肤（e-skin），它由柔软的橡胶制成，可以直接贴在皮肤上。这种电子皮肤采用嵌入式传感器和一个有源电路，涵盖整个信号链，包括模拟前端（AFE）。AFE通过蓝牙，监控、检测并报告一些健康衡量指标，例如心率、体温和代谢副产物。
其独特的生物燃料电池（BFC）由人体自身产生的废物——皮肤汗液来提供动力。研究团队称之为由汗液供电的集成电子皮肤（PPES），可以在皮肤上对代谢产物（例如尿素、NH4⁺、葡萄糖和pH）和皮肤温度进行多重检测，并将采集到的数据无线传输到用户设备，如图4所示。
图4：由汗液供电的集成电子皮肤（PPES）。（图片来源：加州理工学院）
图4a显示集成电子皮肤利用汗液的不同成份来采集能量，它还包含一个皮肤传感器，通过蓝牙进行通信；图4b显示放在手臂上的PPES贴片，尺寸约为2×3cm；图4c所示的生物燃料电池-生物传感器贴片非常柔软、舒适且使用方便（旁边的黑线长度为1cm，是参考比例尺寸）；图4d显示柔性电路衬底上有传感器、采集器、IC和PPES所需的其他组件；图4f显示了一个完整的PPES，其所有组件和布线都封装在保护层之间。
电子皮肤中内置的燃料电池吸收乳酸，并将其与大气中的氧气结合，生成水和另一种代谢产物丙酮酸。生物燃料电池采用碳纳米管和复合网格组成的3D结构，其中碳纳米管含有铂/钴催化剂，复合网格则含有用于分解乳酸的酶。这个采集电路在0.5V时的典型输出约为2mW，可产生高达3.5mW/cm2的功率密度，开路电压为600mV。燃料电池的电力由电容器累积，可在1.5至3.8V之间充电。
该团队的论文“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”发表在AAAS Science Robotics上，内容涵盖其概念、实现、原理、BOM及多个变量的测试结果，还包含详实的补充材料。
我相信还有其他一些巧妙的能量采集方法。有些方法是通用的，但可能不太切合实际或效率低下；而有一些能量采集方法是专门针对特定应用的，很可能会获得成功。读者朋友，你是否曾想到过、见过、甚至用过一些非比寻常的能量采集方法？
（原文刊登于EETimes美国版，参考链接：Energy Harvesting Options Continue to Expand，由Jenny Liao编译。）
本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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