研究人員打造的新式電路圖案能印刷在衣物等各種軟性導(dǎo)電聚合物上，產(chǎn)生從身體熱量中采集能量的材料，并用于為測量生命征象(如心率與呼吸等)的簡單生物傳感器供電。
根據(jù)美國喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的研究人員表示，采用p型和n型半導(dǎo)體壓印的穿戴式織品結(jié)構(gòu)，能夠讓衣物的布料將人體的熱轉(zhuǎn)化為電力，從而為生物傳感器供電，或相反地用于為穿戴者提供冷氣。
研究人員藉由利用德國數(shù)學(xué)家戴維·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采集可穿戴設(shè)備之輸出電壓和功率能夠加以微調(diào)，以符合特殊應(yīng)用的精確需求。
喬治亞理工大學(xué)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(dǎo)電聚合物上，產(chǎn)生能夠從身體熱量中采集能量的材料，并用于為測量生命征象(如心率與呼吸等)的簡單生物傳感器供電。
在喬治亞理工學(xué)院教授Shannon Yee實驗室進行這項研究的博士候選人Akanksha Menon表示：“我們用于互連的Hilbert圖案是分形對稱的，這是一種眾所周知的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。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(dāng)應(yīng)用于熱電組件時，該設(shè)計沿著可被鑲嵌紋路的模塊產(chǎn)生對稱線條，以提供特定的電壓輸出。這能讓我們以大規(guī)模地印刷具有許多元素的組件，然后沿著這些對稱線切割，以取得需要的電壓。
”
喬治亞理工學(xué)院研究人員測量熱電聚合物薄膜組件的導(dǎo)電率（來源：Candler Hobbs/Georgia Tech）
Menon和Yee將其Hilbert曲線稱為分形布線圖案，因為它能以各種不同的密度印刷，然后再依照目標(biāo)應(yīng)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(zhuǎn)這一過程以創(chuàng)造個人化空調(diào)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于穿戴該織物者的皮膚上，從而讓目前效率差的全室空調(diào)帶來巨大的節(jié)能效果。
Menon說：“理論上，該組件能夠反向運作。在此情況下必須透過組件傳送電流，這將會導(dǎo)致其中一端冷卻[服裝內(nèi)部]，而另一端卻在發(fā)熱[服裝外]的情況。挑戰(zhàn)就在于為了取得大量的冷卻效果，就需要具有非常特殊材質(zhì)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(yīng)用的研究計劃。”
喬治亞理工學(xué)院Woodruff機械工程系博士生Akanksha Menon測量熱電聚合物薄膜組件（來源：Candler Hobbs/Georgia Tech）
熱電材料已經(jīng)反向應(yīng)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(dāng)冷卻器內(nèi)部變冷時，在另一端插入時會發(fā)熱，但是這些產(chǎn)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，使其得以使用噴墨打印機印刷原型或卷對卷印刷實現(xiàn)大量生產(chǎn)。
Hilbert曲線圖讓材料在大規(guī)模制造或印刷于紡織品后為應(yīng)用進行客制化。這將使其無需電壓或功率轉(zhuǎn)換器，而能提高熱-電轉(zhuǎn)換的效率，從而根據(jù)衣物的尺寸產(chǎn)生數(shù)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(yī)療監(jiān)控傳感器供電。 20171030-Garment-Pattern-Biosensor-Nets-2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
至于未來，研究團隊希望能為特定的穿戴式應(yīng)用找到優(yōu)化的材料，并證實合身舒適的衣物能夠從穿戴者的身體采集到足夠的熱量，以執(zhí)行編織于衣物中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
這項研究是由美國空軍科學(xué)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(guān)于這項研究的細節(jié)刊載于應(yīng)用物理期刊(Journal of Applied Physics)的“Interconnect Patterns for Printed Organic Thermoelectric Devices with Large Fill Factors＂一文。