根據美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員表示,採用p型和n型半導體壓印的穿戴式織品結構,能夠讓衣物的布料將人體的熱轉化為電力,從而為生物感測器供電,或相反地用於為穿戴者提供冷氣。

研究人員藉由利用德國數學家大衛·希爾伯特(David Hilbert)知名的幾何空間——特別是其空間填充曲線(space-filling curves),作為電路壓印的圖案,證實可印刷的熱電能量採集穿戴式裝置之輸出電壓和功率能夠加以微調,以符合特殊應用的精確需求。

喬治亞理工大學的第一項展示是在紙上進行的,但研究人員說,這種電路圖案還可以印刷在衣物或各種不同的軟性導電聚合物上,產生能夠從身體熱量中採集能量的材料,並用於為測量生命徵象(如心率與呼吸等)的簡單生物感測器供電。

在喬治亞理工學院教授Shannon Yee實驗室進行這項研究的博士候選人Akanksha Menon表示:「我們用於互連的Hilbert圖案是分形對稱的,這是一種眾所周知的數學結構。這基本上意味著任一個子集與整體是完全相同的——具有不同尺度的自相似性。當應用於熱電元件時,該設計沿著可被鑲嵌紋路的模組產生對稱線條,以提供特定的電壓輸出。這能讓我們以大規模地印刷具有許多元素的元件,然後沿著這些對稱線切割,以取得需要的電壓。」

20171023_thermoelectric_NT01P1 喬治亞理工學院研究人員測量熱電聚合物薄膜元件的導電率(來源:Candler Hobbs/Georgia Tech)

Menon和Yee將其Hilbert曲線稱為分形佈線圖案,因為它能以各種不同的密度印刷,然後再依照目標應用的電壓和功率需求切割大小。

雖然研究人員尚未能證實倒轉這一過程以創造個人化空調的概念,但他們認為,Hilbert曲線壓印織物能讓溫度梯度差僅集中於穿戴該織物者的皮膚上,從而讓目前效率差的全室空調帶來巨大的節能效果。

Menon說:「理論上,該元件能夠反向運作。在此情況下必須透過元件傳送電流,這將會導致其中一端冷卻[服裝內部],而另一端卻在發熱[服裝外]的情況。挑戰就在於為了取得大量的冷卻效果,就需要具有非常特殊材質的材料。所以我們在實驗室中還進行了另一項專門針對這個應用的研究計劃。」

20171023_thermoelectric_NT01P2 喬治亞理工學院Woodruff機械工程系博士生Akanksha Menon測量熱電聚合物薄膜元件(來源:Candler Hobbs/Georgia Tech)

熱電材料已經反向應用很長時間了。例如插入汽車點煙器的冷卻器使用軟性條,當冷卻器內部變冷時,在另一端插入時會發熱,但是這些產品使用的都是有毒的無機散裝材料。Menon和Yee正探索使用相同方法但以無毒的有機薄膜聚合物形式取代,使其得以使用噴墨印表機印刷原型或捲對捲印刷實現大量生產。

Hilbert曲線圖讓材料在大規模製造或印刷於紡織品後為應用進行客製化。這將使其無需電壓或功率轉換器,而能提高熱-電轉換的效率,從而根據衣物的尺寸產生數百微瓦(uW)甚至甚至毫瓦級(mW)電力。研究人員說,材料的p型和n型極性比散裝材料更緊密,使其能效足以為織入服裝中的醫療監控感測器供電。

20171023_thermoelectric_NT01P3 圖中顯示在25美分硬幣(36.0- x 31.2-mm)的面積中有3,600個噴墨印刷的熱電接腳。紅、藍點分別表示n型和p型聚合物

至於未來,研究團隊希望能為特定的穿戴式應用找到最佳化的材料,並證實合身舒適的衣物能夠從穿戴者的身體採集到足夠的熱量,以執行編織於衣物中的感測器網路。

這項研究是由美國空軍科學研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)和百事可樂公司(PepsiCo Inc.)提供贊助。關於這項研究的細節刊載於應用物理期刊(Journal of Applied Physics)的“Interconnect Patterns for Printed Organic Thermoelectric Devices with Large Fill Factors"一文。

編譯:Susan Hong

(參考原文:This Garment Pattern Could Power Biosensor Nets,by R. Colin Johnson)