無需充電!可穿戴設備能量收集技術解析

對可穿戴設備來說，最大的問題之一就是如何在不把設備做得太大的同時保證足夠長的續(xù)航時間。最理想的情況是用戶完全不需要為設備充電，這就是為什么硬創(chuàng)邦一直在跟蹤報道的“iFind被Kickstarter暫停”事件中的主角iFind防丟Tag之前會如此受歡迎的原因，因為它聲稱自己完全不需要充電，僅靠收集電磁能就可以維持運轉，這非常不可思議。

iFind是不是欺詐仍有疑問，但它提醒我們在通往不用充電的理想世界之路上前行，在這條路上能量收集是重中之中。預想的未來中，可穿戴設備將可以通過光線、熱量或是振動來獲取能量。這聽起來像科幻小說，但可以收集能量的可穿戴設備其實已經存在很多年了。例如日本精工發(fā)明了一款電磁發(fā)電機，通過用戶的身體運動來為其石英表供電。

不過對當今主要依賴傳感器、計算芯片和通信技術的可穿戴設備來說，這些相對簡單的能量收集方法不再足夠。但我們還有希望，已經出現了一系列的新技術可以幫助實現可穿戴設備的能源獨立。在能源收集方面，目前科學界和行業(yè)內主要關注以下幾種技術：

太陽能電池

太陽能電池不是只有發(fā)電場、路燈這些大型應用，我們將看到微型版本的太陽能電池為可穿戴設備提供足夠的能量。不需要電池的太陽能手表已經存在很多年了，EnergyBionics最近開發(fā)的一款太陽能手表不僅可以滿足自身需求，還可以為其它設備供電。

把太陽能電池應用于可穿戴設備上的一大問題是，設備需要光照才能發(fā)電，一旦光線被遮住，比如在袖子下面，就沒法產生能量了。不過從另一個角度看，這也讓太陽能電池成為智能服裝的一個好選擇，柔性電池甚至可以直接縫進織物中去。

傳統(tǒng)的太陽能電池設計針對的是太陽光，因為太陽光的強度要遠高于室內常見光源。為解決這一問題，一些新材料正在開發(fā)出來，能夠在室內發(fā)電，效率也大大提高。

熱電收集

熱電收集是把熱能轉換為電能，使用的物理原理叫塞貝克效應。珀耳帖元件加上一對特定的半導體，只要出現溫差就會產生電流。

對可穿戴設備來說，不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端。產生能量的多少取決于高低溫度之間的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量，因而對緊貼皮膚，能量需求又高的設備來說很有潛力。熱電回收的一大優(yōu)勢是能量源源不斷，不管是室內還是室外，白天還是黑夜都能利用。

壓電收集

壓電收集把機械能轉換為電能。在壓電元件中，由于壓電效應，只要元件受到機械力操縱就會產生微小的電流。在可穿戴設備上的應用，壓電元件的設計通常是靠行走、呼吸或手的運動所帶來的振動進行發(fā)電。

壓電收集所產生的能量相對較少，這使它的應用主要限制在耗電較少的設備以及總是處于運動狀態(tài)的身體部位?？茖W家正在研發(fā)的聚合物壓電纖維具有柔韌透氣的特點，可以置入織物當中，也有很廣泛的應用場景。

優(yōu)化可穿戴設備的電量存儲和消耗

想要讓可穿戴設備徹底不用充電，能量收集只是一方面。能量存儲是另一個有很大提升空間的方面。這方面超級電容器和石墨烯潛力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善電池和電容的效率，從而提高可穿戴設備的整體性能。而結構電容器可以把可穿戴組件變成能量存儲器，從而不需要額外空間來安放電池。

另一個讓可穿戴設備提高續(xù)航甚至完全不用充電的方法是大幅減少傳感器、芯片和通信系統(tǒng)的能量消耗。智能手機的成功推動了低能耗高性能芯片的發(fā)展?？纱┐髟O備的處理器所需要計算能力和能量還更少。為應對這一問題，包括Intel在內的芯片大廠正通過把處理器、內存和通信模塊整合到單一芯片中去，從而減少常見的一些能量損失。

選擇最高效的連網技術對減少能量消耗也有很大幫助。展望未來，越來越多的傳感器和設備佩戴在身體的不同部分，使得名為“身體區(qū)網絡”的高效通信方式在節(jié)省能量方面潛力巨大。諸如EnOcean等公司開發(fā)了優(yōu)化過的協(xié)議，使用相對IPv6更短的數據電報，從而讓同等量級的信息傳輸所消耗的能量顯著降低。

所有這些不同方面的改進都在推動可穿戴設備步入一個不用充電的時代，同時大幅提高性能表現。加上無線充電等技術，消費者可能很快就會看到可穿戴設備用戶體驗的大幅提升，而這也會進一步把可穿戴推向更廣泛的市場。