腦洞大開(kāi) “摩擦生電”有望拯救可穿戴設備續航

　　可穿戴式設備（也稱(chēng)“穿戴式裝置”）產(chǎn)品正夯，但是電池續航力卻是可穿戴式設備市場(chǎng)成長(cháng)的一大罩門(mén)。如果穿戴者可以隨時(shí)隨地為自己的裝置充電，穿戴式設備就不再需要以大顆的電池來(lái)延長(cháng)續航力了！如果摩擦生電奈米發(fā)電機的技術(shù)，在未來(lái)可以達到商業(yè)化的標準，一切夢(mèng)想都可以成真了！

　　根據市場(chǎng)研究機構IDC的報告，在2014年，穿戴式裝置（基本型及智能型）的市場(chǎng)出貨量約1，960萬(wàn)臺，在2015年，預估出貨量將成長(cháng)至4，570萬(wàn)臺，至2019年更上看1.26億臺（圖一），而這五年的年平均復合成長(cháng)率高達45.1%。

　　圖一、IDC穿戴式裝置預估出貨量

　　如此樂(lè )觀(guān)的預估，應是基于，在初期，人們對高科技產(chǎn)品的嘗鮮及炫耀心理所建構出的消費行為，以及，以商品實(shí)用性甚至是必需品為導向的長(cháng)期市場(chǎng)需求；而大家都很清楚的是，“實(shí)用性”才是穿戴式裝置商品能夠屹立不搖、生生不息的保證。

　　穿戴式裝置的“實(shí)用性”指針，除了功能（function）之外，最為重要的就是“續航力”了。以目前最夯的Apple Watch來(lái)說(shuō)，每天晚上都得脫下來(lái)充一下電，消費者已經(jīng)稍嫌麻煩了，若是24小時(shí)監測的醫療照護穿戴裝置，也需要每天脫下來(lái)充電才能續用，這種東西的實(shí)用性已經(jīng)被大打折扣了。

　　以目前的產(chǎn)品表現來(lái)說(shuō)，電池續航力的確是穿戴式裝置市場(chǎng)成長(cháng)的一大罩門(mén)。

　　要提升穿戴式裝置的續航力，可以從二方面著(zhù)手，一是設計極低耗電的傳感器、處理器、通訊模塊等組件，以及優(yōu)化系統的電源管理；二是改良電池技術(shù)。

　　相較于半導體組件設計所獲得的改良進(jìn)展，電池技術(shù)則面臨更多的挑戰?，F今廠(chǎng)商不僅要研發(fā)出續航力超強而且體積又小的電池，最好還能讓電池具備可撓的特性，以搭配各種型態(tài)的穿戴式裝置；而在未來(lái)，智能型穿戴式裝置的功能勢必更加強大，這也意味著(zhù)裝置內含的組件將會(huì )越來(lái)越多，結果就是耗電量將只會(huì )增不會(huì )減，因此，電池技術(shù)就必需要有重大的突破才能未雨綢繆。

　　延長(cháng)穿戴式裝置的續航力，除了等待新電池技術(shù)的支持之外，還可以透過(guò)“改變充電的方式”讓使用者“有感”，例如，具備（遠距）無(wú)線(xiàn)充電功能的穿戴式裝置，就可以在“不必脫下”的情況下隨時(shí)充電，永遠turnon，但前提是需配合無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器的裝設位置（如圖二）；若是依照“能量采集”（Energy Harvesting）的原理，將穿戴者本身產(chǎn)生的動(dòng)能（擺動(dòng)、摩擦）轉換成電能來(lái)供電，則可以隨時(shí)隨地將電池充飽，而且也沒(méi)有充電位置的限制，因此，穿戴式裝置就可以全年無(wú)休的為您服務(wù)了。

　　圖二、遠距無(wú)線(xiàn)充電示意圖

　　雖然能量采集的技術(shù)仍在研究階段，但已有令人矚目的突破進(jìn)展，例如，美國喬治亞理工學(xué)院的王中林教授（Prof. Zhong Lin Wang）及其團隊利用“摩擦生電效應”（Triboelectric Effect），以及“靜電感應”（Electrostatic Induction）原理所設計出的摩擦生電奈米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator；TENG）就是很好的例子，該團隊在此研究議題上所獲得的成果，已將單位面積發(fā)電密度（Area Power Density）提升到1，200W/m2，能量轉換效率（Energy Conversion Efficiency）也高達50%~80%，所提供的電量甚至可以點(diǎn)亮1，000顆綠光LED組件（如圖三）。

　　圖三、用鞋子撞擊地板上的奈米發(fā)電機，產(chǎn)生的電量可以點(diǎn)亮1，000顆LED

　　TENG不但牽涉到電學(xué)原理，更包含材料、化學(xué)、奈米技術(shù)。它的輸出表現可以透過(guò)多種方法增強，包括材料選擇、薄膜表面紋理形貌以及奈米化合物結構。

　　可運用的材質(zhì)除了金屬之外，還有聚酸甲酯（polymethylmethacrylate；PMMA；壓克力）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene；PTFE；鐵氟龍）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane；PDMS）、聚酰亞胺薄膜（Kapton thin film）、氧化銦錫（indium tin oxide；ITO）及聚酯（polyester；PET）等等，差別在于，不同的材質(zhì)會(huì )有不同的飽和摩擦電荷密度。

　　“能夠產(chǎn)生大量電荷的輸出取決于摩擦表面的性質(zhì)。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的圖案增加了片材的接觸面積，產(chǎn)生的電力可以有上千倍的差異”，所以為了增加接觸面積，薄膜表面通常會(huì )設計成密布的鋸齒、顆?；蜷L(cháng)刷狀等等。

　　TENG在2012年初發(fā)表后，經(jīng)過(guò)不斷的研究，已有數種不同的結構體態(tài)設計（圖四），其單位面積發(fā)電密度（Area Power Density）在短短一年后就由3.67mW/m2上升到313W/m2（圖五），進(jìn)步幅度驚人。

　　圖四、各式TENG結構

　　圖五、TENG電源密度進(jìn)展

　　TENG有四種基本的操作模式（圖六），第一種為垂直接觸-分離模式（Vertical Contact-Separation Mode），這是最早研發(fā)出的奈米發(fā)電機。兩層薄膜在重復摩擦與分開(kāi)的動(dòng)作之際，可以產(chǎn)生交流電，圖七為操作步驟。

　　圖六、TENG的四種基本的操作模式

　　圖七、垂直接觸-分離模式

　　第二種為滑動(dòng)模式（Lateral Sliding Mode），周期性的滑動(dòng)也可以產(chǎn)生交流輸出，而且可以設計為平面滑動(dòng)（planar motion）、圓柱旋轉（cylindrical rotation）或是平盤(pán)旋轉（discrotation），圖八為操作步驟。

　　圖八、滑動(dòng)模式

　　第三種為單電極模式（Single-Electrode Mode），與上述二種模式的差別在于只有下層薄膜接負載，而上層薄膜則是自由上下移動(dòng)的，所以此種模式可用于例如以指尖滑動(dòng)摩擦生電的應用，圖九為操作步驟。

　　圖九、單電極模式

　　第四種為獨立摩擦層模式（Freestanding triboelectric-layer mode），見(jiàn)圖六（d），與上述三種操作模式最大的區別在于上下面板是不接觸的，因此可以降低兩層薄膜接觸面的磨損率。

　　在當初開(kāi)始研究TENG時(shí)，其目標就是為了要對傳感器網(wǎng)絡(luò )中的小型電子組件提供電源，而研發(fā)至今，已證實(shí)摩擦生電奈米發(fā)電機不僅能攫取小尺度的能量，也能收集大規模的能量，例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。

　　在2013年，王中林教授團隊于A(yíng)CSNANO期刊發(fā)表論文“Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energyandas Self-Powered Active Tactile Sensor System”（圖十），將TENG置于人體皮膚之上，然后收集TENG與皮膚摩擦之后產(chǎn)生的電力，如此采集到的生物機械能可以點(diǎn)亮數十顆綠光LED，而這也讓人體自我發(fā)電并供電給行動(dòng)裝置的實(shí)現可能性大幅上升。

　　圖十、與皮膚摩擦的TENG

　　新加坡國立大學(xué)在2015年1月于IEEEMEMS2015研討會(huì )上，發(fā)表論文“Skin Based Flexible Triboelectric Nanogenerators with Motion Sensing Capability”，更進(jìn)一步將奈米發(fā)電機以貼片的方式黏在手臂或喉嚨的皮膚上，光是拳頭握緊或是講話(huà)發(fā)聲等這么簡(jiǎn)單不費力的動(dòng)作，就可以產(chǎn)生7.3V~7.5V的電力；而在實(shí)驗中，最高可產(chǎn)生90V及0.8mW的電力，已足夠點(diǎn)亮12個(gè)商用LED燈。

　　這款發(fā)電貼片其尺寸僅如郵票一般大小，也因為采用金箔做為電極（圖十一），而非使用材質(zhì)較硬的氧化銦錫（ITO）做為電極，所以可以更易于貼合在皮膚之上，相對于之前所發(fā)表技術(shù)來(lái)說(shuō)，更適合用于人體自我發(fā)電的應用。

　　圖十一、以金箔做為電極

　　如果摩擦生電奈米發(fā)電機的技術(shù)在未來(lái)可以達到商業(yè)化的標準，那么，穿戴者就可以隨時(shí)隨地為自己的裝置充電，而穿戴式裝置就可以不再需要以大顆的電池來(lái)延長(cháng)續航力了。

　　雖然摩擦生電奈米發(fā)電機的技術(shù)發(fā)展，不論是用于人體動(dòng)能采集，或是用于自然風(fēng)雨的能量采集，將繼續面對許多務(wù)實(shí)問(wèn)題的挑戰，例如材料的穩定度、長(cháng)期摩擦后的磨損率、高電壓低電流的電源管理技術(shù)、能量?jì)Υ婕夹g(shù)、封裝、連接或整合至裝置等等問(wèn)題，但不可否認的是，我們習以為常的摩擦生電現象，竟也有如此實(shí)用的潛力，微小的能量匯聚之后也有巨大的用處，未來(lái)還會(huì )發(fā)展到什么樣的境界呢？嗯，不要被您的想象力給框限住了喔！