導(dǎo)讀

近日，瑞典科學(xué)家開發(fā)出一種能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的織物。織物受到的負(fù)荷越大，變得越濕潤(rùn)，產(chǎn)生的電力也越多。

背景

壓一下某種材料，就會(huì)產(chǎn)生電力？聽上去有點(diǎn)不可思議，但這正是所謂的“壓電效應(yīng)”向我們所展示的。

（圖片來源：維基百科）

壓電效應(yīng)（piezoelectric effect），簡(jiǎn)單說，就是指對(duì)壓電材料施加壓力，便會(huì)使其產(chǎn)生電位差（正壓電效應(yīng)）；反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（逆壓電效應(yīng)）。從能量角度說，在某些材料中，存在機(jī)械能與電能的互換現(xiàn)象。壓電材料因機(jī)械形變產(chǎn)生電場(chǎng)，也可因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械形變。

一般來說，壓電材料包括：骨頭、蛋白質(zhì)、DNA、陶瓷、塑料、織物等等。此類材料的應(yīng)用范圍非常廣，例如：移動(dòng)電話的諧振器和振動(dòng)器、深海聲納、超聲波成像等等。壓電效應(yīng)的主要用途之一就是發(fā)電，例如我們走路時(shí)踩踏產(chǎn)生的能量，甚至機(jī)械振動(dòng)、噪音產(chǎn)生的能量都可以被采集起來轉(zhuǎn)化為電能。

有關(guān)壓電效應(yīng)的創(chuàng)新案例之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個(gè)經(jīng)典案例：

1) 美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出的新型換能器，可以采集人體低頻運(yùn)動(dòng)的能量，為智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、平板電腦等電子設(shè)備供電。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學(xué)）

2）美國(guó)范德堡大學(xué)開發(fā)的新型超薄能量采集系統(tǒng)，即使受到極低頻率的人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的彎曲或按壓，也可以產(chǎn)生少量電力。

（圖片來源于：John Russell / 范德堡大學(xué)）

3）愛爾蘭利默里克大學(xué)（UL）伯納爾學(xué)院的科學(xué)家觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在于禽類蛋清以及動(dòng)物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質(zhì)）能在受壓時(shí)產(chǎn)生電力。

（圖片來源：利默里克大學(xué)）

創(chuàng)新

近日，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位于布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學(xué)院及研究機(jī)構(gòu) Swerea IVF 合作，開發(fā)出一種能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的織物。織物受到的負(fù)荷越大，變得越濕潤(rùn)，產(chǎn)生的電力也越多。研究結(jié)果發(fā)表于“自然合作期刊”（Nature Partner journal）《柔性電子（Flexible Electronics）》。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學(xué)）

技術(shù)

查爾姆斯理工大學(xué)研究員 Anja Lund 和 Christian Müller 開發(fā)出一種在拉伸或者受到壓力時(shí)能夠發(fā)電的織物。目前，這種織物產(chǎn)生的電力足以點(diǎn)亮一盞LED燈、發(fā)送無線信號(hào)或者驅(qū)動(dòng)小型電氣單元，例如口袋計(jì)算機(jī)或者數(shù)字手表。

這項(xiàng)技術(shù)也是基于壓電效應(yīng)（piezoelectric effect），它會(huì)通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產(chǎn)生電力。在這項(xiàng)研究中，研究人員通過將壓電紗線與導(dǎo)電紗線（用于傳輸生成的電流）編織到一起做成一種織物。

Lund 表示：“這種織物是柔軟的，并且在潮濕時(shí)效率更高。為了論證研究成果，我們采用了單肩包肩帶上的一片織物。包越重，含這種織物越多，那么我們能獲取到的能量也越多。當(dāng)包內(nèi)裝有3公斤書籍時(shí)，我們可以產(chǎn)生4毫瓦的連續(xù)輸出，這足以間歇地為一盞LED燈供電。通過這種織物做成一個(gè)完整的包，我們能夠獲取到足夠的能量來傳送無線電信號(hào)。”

（圖片來源：參考資料【2】）

壓電紗線由24根纖維組成，每一根纖維都像一縷頭發(fā)那樣細(xì)。當(dāng)纖維變得足夠潮濕時(shí)，會(huì)在液體中變得封閉，且紗線會(huì)變得更加高效，因?yàn)檫@樣改善了纖維之間的電氣接觸。這項(xiàng)技術(shù)是基于之前研究人員開發(fā)壓電纖維的研究，現(xiàn)在他們進(jìn)一步增加了尺寸。

（圖片來源：參考資料【2】）

Lund 表示：“壓電纖維由圍繞著導(dǎo)電內(nèi)核的壓電外殼組成。這種壓電紗線與商用的導(dǎo)電紗線結(jié)合組成一個(gè)串聯(lián)電路。”在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，纖維暴露于強(qiáng)電場(chǎng)中，引起聚合物中的正負(fù)電荷以一種有序地方式分離。當(dāng)織物被拉伸或者暴露于壓力下時(shí)，纖維的形變將引起電荷分布的重組，從而產(chǎn)生電壓。導(dǎo)電紗線形成電流可以在其中流動(dòng)的閉合電路。

（圖片來源：參考資料【2】）

研究人員之前對(duì)于壓電織物的研究主要集中于傳感器以及它們通過壓力敏感性產(chǎn)生電信號(hào)的能力。

價(jià)值

Lund 表示：“由壓電紗線編織成的織物，使得這項(xiàng)技術(shù)更加容易理解，而且它可用于日常生活中。織物中也有可能添加更多的材料，或者使用它作為多層產(chǎn)品中的一層。這需要一些修改，但是是可行的。”

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)從根本上說已經(jīng)可用于大規(guī)模量產(chǎn)。現(xiàn)在主要是工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)者要搞清楚如何利用這項(xiàng)技術(shù)。除了構(gòu)成材料的先進(jìn)技術(shù)外，成本相對(duì)較低，與Gore-Tex 的價(jià)格差不多。通過與瑞典紡織學(xué)院的合作，研究人員已經(jīng)能過證明，紗線可以在工業(yè)織機(jī)中編織，并且有足夠的耐磨性去應(yīng)對(duì)量產(chǎn)的嚴(yán)苛條件。