问题:可穿戴电子正在走向普及,但供电依然是关键瓶颈。智能手表、健康贴片、运动监测器等设备对续航高度敏感、充电频繁——不仅影响佩戴体验——也限制了它们在长期健康管理、老年照护和户外场景中的连续工作。利用人体与环境的温差发电被认为是一条可行路径,但传统热电器件很难在“薄、软、贴肤”的同时保持较高效率。 原因:热电发电依赖温度梯度。对贴身穿戴来说,器件越薄越舒适,却越容易出现热量快速“垂直穿透”并散入空气的情况,薄膜上下难以形成明显温差,冷热分区不清,发电效率随之下降。以往常用的办法是叠层折叠,或做成柱状、凸起等三维结构,用几何形态“拉长”热路径来制造温差,但往往导致器件变厚变硬,不适合长期贴肤,也不利于大面积制造和服装化集成。 影响:首尔大学团队提出的“伪横向热电发电机”提供了另一种思路:不靠加厚结构,而是直接改造热传导路径,在不增加厚度的情况下“引导”热流走向。研究通过弹性硅胶底座的结构设计,仅在特定区域嵌入导热铜纳米颗粒,使来自皮肤的热量更多沿平面横向扩散,而不是直接向外散失。横向热流在平面内形成相邻的温暖区与凉爽区,从而在完全平坦的结构上建立可用的温度梯度,实现热能到电能的转换。对应的成果发表于《科学进展》,为柔性、轻量化能量采集器件给出了可验证的工程路径。 对策:从工程落地角度看,该方案强调制造可扩展、形态更适配穿戴。研究显示器件可采用类似墨水打印的工艺制备,便于在柔性基底上形成连续、可扩展的功能层,降低复杂加工对成本与良率的压力。同时,器件内部结构可模块化组合,便于根据不同腕围、衣物裁片或贴片形态进行拼接与布局,适配多尺寸、多曲率的穿戴需求。对产业而言,“结构引导热流”意味着提升效率不必依赖厚重堆叠,有机会在舒适性与能量输出之间取得更好的平衡;对应用端而言,也有利于把能量采集与传感、通信等功能集成在同一柔性平台上,减少对大容量电池的刚性依赖。 前景:热电自供能短期内不太可能完全取代充电,更现实的路径是作为“补能”和“维持基础运行”的电源先行落地:例如为低功耗健康监测提供持续电力以延长待机;为智能纺织品提供背景供能以降低维护成本;在应急、户外或医疗随访等场景中提升可靠性。下一步仍需多维度验证:其一,真实佩戴条件下的持续输出与稳定性,包括汗液、摩擦、弯折、洗涤等长期工况;其二,与超低功耗传感器、数据存储及短距通信模块的系统级匹配;其三,材料与工艺的安全性、成本和可回收性评估。随着柔性电子、低功耗芯片与能量管理电路持续迭代,人体热能采集有望从实验室概念逐步走向可量产的“隐形电源”。
这项成果为可穿戴设备的能量采集提供了新的工程方向:在不牺牲轻薄与柔软的前提下,通过重塑热流路径来提高可用温差与输出能力。随着“人机共生”应用增多,如何从人体活动中获取稳定、清洁的微能量将越来越重要。首尔大学团队的工作也提示,突破往往来自对基础物理过程的重新理解与更精巧的工程化实现。