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Fingertip-powered wearable 新發明手指發電器 隨時隨地發電 一根手指就能救地球

2021-10-07 (星期四)

科技時代來臨,幾乎人人身上都帶有電子設備,包括智慧型手機、手錶、平板電腦等,也因此,電力成為生活中不可或缺的一環。隨之而來的,是長時間把物品握在手掌中所帶來的手汗。 

但你可有想過,日常生活中的小舉動居然也能發電?加州大學聖地亞哥分校的工程師開發出一種可以戴在指尖上的裝置,當人們出汗或按壓時會產生少量電力。這款名為「手指發電器」的最新發明,透過收集人類指尖分泌出的汗水,轉化為電力。最特別的是,不管配戴者是站著發呆、還是躺著睡覺,只要手指戴著這款裝置,就能蒐集電力。

A new wearable device turns the touch of a finger into a source of power for small electronics and sensors. Engineers at the University of California San Diego developed a thin, flexible strip that can be worn on a fingertip and generate small amounts of electricity when a person's finger sweats or presses on it. What's special about this sweat-fueled device is that it generates power even while the wearer is asleep or sitting still, no exercise required!

研究人員設計指尖凝膠貼,是因為指尖是身體最容易出汗的部位之一。或許你會認為身體其他部位出汗較指尖多,但因為手指總是暴露在空氣中,所以汗水一流出便被蒸發掉。
研究人員設計指尖凝膠貼,是因為指尖是身體最容易出汗的部位之一。或許你會認為身體其他部位出汗較指尖多,但因為手指總是暴露在空氣中,所以汗水一流出便被蒸發掉。

指尖「全年無休」在出汗 發電簡單好上手 

研發人員是在國際著名科學期刊「Joule」(焦耳)上發表了這篇論文,而共同第一作者陸寅(音譯,Lu Yin)則是該校的奈米工程博士生。他分享這項發明的目標,是要讓可穿戴裝置變得更實用、更方便、更容易取得。陸寅補充:「這次的發明可說是首創,因為穿戴者根本不需要移動,不受時間和地點束縛。」 

那為何選擇使用指尖發電呢?研發團隊發現,指尖可說是 24 小時營運、全年無休的「汗水工廠」。這是人體最容易出汗的部位之一,每個指尖都擠滿了超過 1,000 個汗腺,可以分泌比其他部位還多 100 至 1,000 倍的汗水。 

說指尖容易出汗,可能很難以置信,但原來其他部位通風不良,才讓我們感覺這些地方流了更多汗;但指尖卻總是暴露在空氣之中,因此汗一出,就蒸發掉了。而這次,他們「把握」住指尖的汗水,將之蒐集並轉化成能量,連配戴者睡覺、發呆的時間都不放過。此外,研發團隊也發現,指尖輕輕按壓同樣能產生電能,只要配戴者打字、發送貼文、彈鋼琴,甚至敲打摩斯密碼,都能發電。

這個輕薄有如 OK 蹦的裝置,由可以吸收汗水的碳泡沫電極組成,內含嵌入的酵素,接觸到汗水會引發內部的乳糖氧化化學機制,從而產生電力並儲存在小型電容中。
這個輕薄有如 OK 蹦的裝置,由可以吸收汗水的碳泡沫電極組成,內含嵌入的酵素,接觸到汗水會引發內部的乳糖氧化化學機制,從而產生電力並儲存在小型電容中。

像 OK 繃一樣小  潛力卻很可觀

「手指發電器」如何運作呢?事實上,這款發電裝置長的就像 OK 繃,可以直接包覆指尖,體積細小而靈活。它由生物燃料電池(biofuel cells)組成,再裝入小型軟墊中,可黏在指尖上。裝有酶(enzyme)的電極吸收汗水之後,會進行化學反應,分解汗水中的乳酸(lactate),以此產生電能。 

加州大學聖地牙哥分校穿戴感應器中心(Center for Wearable Sensors)的主任 Joseph Wang 也是研究團隊的一員。他表示,除了簡單好上手的優點外,這個技術還展現了最大的能源投資報酬率(Energy Return on Investment, EROI)。以往的機動式發電器,使用者需要作跑步、騎腳踏車等運動量大的活動,投入數百焦耳(J)的能量,只為了讓裝置產生幾毫焦耳(mJ)的電能,也就是說,能源投資報酬非常低;相比之下,這款手指裝置根本不需花上任何力氣,指尖只需輕輕按壓甚至完全靜止不動,也能發電。

與過往的汗水發電相比,運動需要相當賣力,消耗數百焦耳的能量,才能產生幾毫焦耳的電能。但此款設備所需要投入的能源很低,不管是睡覺還是打字,甚至是當個「沙發馬鈴薯」,只要戴上這組裝置,都可以產生一定程度的電能。
與過往的汗水發電相比,運動需要相當賣力,消耗數百焦耳的能量,才能產生幾毫焦耳的電能。但此款設備所需要投入的能源很低,不管是睡覺還是打字,甚至是當個「沙發馬鈴薯」,只要戴上這組裝置,都可以產生一定程度的電能。

據最新實驗指出,受試者戴著它睡了 10 個小時後,能產生大約 400 毫焦耳(mJ)的能量,足以讓電子手錶運作 24 小時。而這僅僅是一個指尖的力量,若 10 根手指頭全都用上,就能產生 10 倍以上的能量。此外,受試者在一小時內,若以正常速度打字、按壓滑鼠,手指發電器也可以產生約 30 毫焦耳的能量。 

研究團隊表示,他們的目標是讓這款發電裝置發揚光大,造福所有人。他們強調,這不僅僅是一個很酷、但只能用來產生微小電能的發明,他們要用它來驅動更大型的感應器、顯示看板,或更先進的手機、電腦等電子裝置。目前每 10 秒按壓手指發電器 10 次,或是戴著兩分鐘,就能讓低功耗的屏幕正常運作。 

為了達到這個目標,該團隊也正朝高效率、持久耐用的方向前進,將來也計劃結合其他能量擷取器(又稱能量收集器 energy harvester),創造發電能力更高的穿戴式裝置。  

不少人天生受手汗旺盛困擾,若這項發明真的推行,會一下子成為他們的福音嗎?那以後若手汗發作時,就能說自己是為地球能源作出貢獻了!

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