根據(jù)賓州州立大學(xué)多蘿西·奎格（DorothyQuiggle）職業(yè)發(fā)展教授，和教授Huanyu“Larry”Cheng領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組的說法，一個(gè)可伸縮的系統(tǒng)可能會(huì)從人體的呼吸和運(yùn)動(dòng)中獲取能量，用于可穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。

由賓州州立大學(xué)，閩江大學(xué)和南京大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)最近在中國的《納米能源》上發(fā)表了研究結(jié)果。

Cheng表示，為可穿戴和可伸展的健康監(jiān)測(cè)和診斷設(shè)備提供動(dòng)力的當(dāng)前電池和超級(jí)電容器存在許多缺點(diǎn)，包括能量密度低和可拉伸性有限。

Cheng說：“這與我們以前的工作有很大不同，但這是方程式的重要組成部分?！彼赋?，他的研究小組和合作者傾向于將重點(diǎn)放在開發(fā)可穿戴設(shè)備中的傳感器上。“在氣體傳感器和其他可穿戴設(shè)備上工作時(shí)，我們總是需要將這些設(shè)備與電池組合在一起才能供電。使用微型超級(jí)電容器使我們能夠在不需要電池的情況下自給傳感器供電?！?/p>

微型超級(jí)電容器是電池的替代品，是可以補(bǔ)充或替代可穿戴設(shè)備中鋰離子電池的儲(chǔ)能設(shè)備。微型超級(jí)電容器占地面積小，功率密度高，并且具有快速充電和放電的能力。然而，根據(jù)Cheng的說法，當(dāng)為可穿戴設(shè)備制造時(shí)，常規(guī)的微型超級(jí)電容器具有“三明治”式的堆疊幾何形狀，與可穿戴電子設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，柔性，長離子擴(kuò)散距離長且集成過程復(fù)雜。

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這促使Cheng和他的團(tuán)隊(duì)探索替代設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)和集成過程，以促進(jìn)可穿戴設(shè)備中微型超級(jí)電容器的使用。他們發(fā)現(xiàn)，將微型超級(jí)電容器單元排列成蛇形島橋布局，可使配置在橋處拉伸和彎曲，同時(shí)減少微型超級(jí)電容器（即島）的變形。當(dāng)組合在一起時(shí)，該結(jié)構(gòu)便成為研究人員所稱的“微型超級(jí)電容器陣列”。

Cheng說：“通過在連接電池時(shí)采用島橋設(shè)計(jì)，微超級(jí)電容器陣列顯示出增加的可拉伸性，并允許可調(diào)電壓輸出?！薄斑@使系統(tǒng)可逆地拉伸到100％?！?/p>

通過使用無層超薄鋅-磷納米片和3D激光誘導(dǎo)的石墨烯泡沫-一種高度多孔的自熱納米材料-構(gòu)建電池的島橋設(shè)計(jì)，Cheng和他的團(tuán)隊(duì)看到了電學(xué)方面的巨大改進(jìn)電導(dǎo)率和吸收的帶電離子數(shù)。這證明了這些微型超級(jí)電容器陣列可以高效充電和放電，并存儲(chǔ)為可穿戴設(shè)備供電所需的能量。

研究人員還將該系統(tǒng)與摩擦電納米發(fā)電機(jī)相集成，這是一種將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的新興技術(shù)。這種結(jié)合創(chuàng)造了一個(gè)自供電系統(tǒng)。

程說：“當(dāng)我們有了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的無線充電模塊時(shí)，我們可以基于運(yùn)動(dòng)來收集能量，例如彎曲肘部或呼吸和說話?！薄拔覀兡軌蚶眠@些日常的人類運(yùn)動(dòng)來給微型超級(jí)電容器充電?！?/p>

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通過將集成的系統(tǒng)與基于石墨烯的應(yīng)變傳感器相結(jié)合，由摩擦電納米發(fā)電機(jī)充電的儲(chǔ)能微型超級(jí)電容器陣列能夠?yàn)閭鞲衅鞴╇?，Cheng說，這表明該系統(tǒng)有可能為可穿戴設(shè)備供電，可伸縮設(shè)備。

該項(xiàng)目的其他研究人員包括曾教授，助理教授。彭志祥，研究助理；超星，副教授；陳華明，副教授；Min江大學(xué)的助理教授黃春雷和王軍的教授；ing江大學(xué)功能海洋傳感材料福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理教授唐紹龍，南京大學(xué)物理學(xué)教授。

國家自然科學(xué)基金；福建省青年教育委員會(huì)；美國國家科學(xué)基金會(huì)；美國國立衛(wèi)生研究院國家心臟，肺和血液研究所對(duì)此工作提供了支持。