人体供电的智能可穿戴设备电池为智能穿戴行业打开新大门
坦率地说，你很喜欢你的智能表及其各种神奇的功能。但常常充电却很烦人。电池组的寿命更长当然是好事，但电池组的能量存储量取决于其体积大小，电池越大，容量越大，重量也越大。所有可穿戴设备，如健身跟踪器、入耳式音频增强耳戴设备和增强现实隐形眼镜，都存在类似的电源问题。另外，目前的电池体积过大，硬度过高，不适合用来织入纺织品或直接装在用户皮肤上的可穿戴设备。
这些设备所需功率从基本计步器的1毫瓦到更先进的智能手表的几十毫瓦不等。仅几厘米大，容量在10至300毫安小时之间的小型电池，其寿命最长可达几天。
为解决智能穿戴式设备的供电问题，一些研究者正在研发新型的可伸缩电池和超级电容。网印技术可以大大降低成本，但是用这种技术制造出这样的电池是非常困难的。而另一些开发者则希望利用近场通信(NFC)芯片组进行无线电力传输，这样就可以完全抛弃电池了，但是NFC技术要求可穿戴设备在其周围几厘米内有一个外部电源，比如手机；一旦移动手机，可穿戴设备就会停止工作。
我们认为，在美国加州大学圣地亚哥分校的可穿戴式传感器中心，有一种更好的方式为下一代可穿戴式设备提供动力，那就是回收穿戴者的能量，尤其是生物燃料。用这种方式供电的设备，其体积可能小到你都忘了它们的存在，我们称之为“无感知设备”。
最实用的生物燃料就是人类的汗液。
来自身体或环境的能量并非一种新的概念。早期的人是通过运动，光和热来获得能量的。举例来说，自18世纪70年代以来，自动上弦手表就利用了人体的自然运动来回收能量。最早这类装置中，手表内部的砝码可以使其机械装置上弦。后装上磁力砝码的手表，通过线圈产生电力为电池充电。现代自动上弦手表使用压电材料和晶体材料，它们在弯曲或挤压时释放电荷。
指甲大小的光电电池也被用来回收光能，这种电池在计算机上已经使用了几十年。大部分的太阳能电池都是硬的，但是我们可穿戴传感器中心的研究人员正在研发灵活的，甚至可伸缩的太阳能电池，以更好地为人们服务。
温度是能量回收的第三种方法。大部分气候和环境条件下，人体温度远远高于环境温度。这种差别正是微型热电发电机所使用的。PowerWatch是一款基本的智能手表，它使用的温度回收装置就安装在表皮面。
遗憾的是，这些可靠的能量收集方法中没有一个能够为小型灵活的可穿戴设备提供足够的能量。活动能量收集器适用于手表，但是可穿戴设备的最新部位(如胸部或耳朵)不能形成足够的运动来收集运动能量。热发电需要大型散热器(通常是铝制的)来收集人体的热量，并将之传送到设备中，以有效地回收能量。假如可穿戴设备在衣服里面，热电发电机和太阳能电池就无法正常工作。
正因如此，汗液驱动的发现更加令人兴奋。人类汗液中的某些化学物质可以用作大小与可穿戴设备相当的燃料电池。这类生物燃料电池比现有的能源回收方式更实用，具有更高的功率密度，且可穿戴式。我的研究小组开发出了一个可穿戴设备的原型，它可以通过汗液产生能量。
穿着设备把汗水转化为能量的原理如下：燃料电池由一个阳极和一个阴极组成，在两电极之间有电解液存在。在燃料进入阳极后，催化剂把它的分子分解为电子和质子。质子通过薄膜到达阴极，然后电子进入电路中。威尔士科学家William Robert Grove首先在1839年对此进行了研究；他使用氢气作为燃料，并使用氧气作为催化剂来产生水和电流。
使用氢作为可穿戴设备的燃料电池是不切实际的，因为它极易燃烧，而汗液又丰富又容易获取，尤其当人们做运动或运动时。由于运动员们很早就开始广泛使用各种可穿戴设备，因此这批运动员将会成为早期汗液驱动设备的吸引对象。
汗不只是在里面，还有很多微量的矿物质和其它物质，比如葡萄糖和乳酸。这种叫做代谢物的物质，是生物体内化学反应的副产品，可以制造优质的生物燃料。乳酸尤其吸引我们，因为它在汗液中的浓度会随着活动性的增加而升高。我们在汗液生物燃料电池中制造了一层酶，它能与汗液中的乳酸反应，分解电子和质子，从而产生电流。
研究人员们并非首先想到用体液作燃料。一些最初在1970年代被提出的心脏起搏器和人工耳蜗植入物，随后计划使用葡萄糖生物燃料电池作为其动力。考虑到人体内生物燃料的丰富，将其用于可植入设备是很合理的。其主要缺点是，用于燃料电池催化反应的酶会降解，电极将在数天内停止工作，而要恢复燃料电池运转，唯一的办法就是手术切除植入物，这显然是不现实的。
为避免酶耗尽的问题，我们的研究小组转向了开发可在体外使用的一次性可穿戴设备。在2014年，我们展示了我们的第一个生物燃料电池，它使用丝网印刷技术，在织物头带和吸汗腕带上印刷乳酸生物燃料电池。
每一个参与者在骑车的时候都佩戴头巾和吸汗腕带。每一块生物燃料电池都与小型DC-DC转换器相连。这种转换器提高了汗流浃背的骑车人产生的电压，使它达到了点亮微瓦级LED灯以及为数字腕表供电所需要的水平。实验中，生物燃料电池每平方厘米能产生100微瓦的能量，足够驱动LED和手表。这样的功率密度比热电发电机组和一种小型散热器产生的功率密度要大，而且在正常的室内照明条件下，比太阳能电池产生的功率密度要大一些。在实验过程中，我们并没有测量不同实验对象的乳酸浓度。在我们先前的体外试验中，也发现了类似的能量水平，所用的乳酸浓度是3×10-315×10-3摩尔/升(即315摩尔/立方米)。
就我们所知，可打印、可穿戴的生物燃料电池首次出现，为日常生活提供能源。另外，因为生物燃料电池印在柔软的纺织品上，所以它穿着很舒服，即使反复弯曲也能保持工作状态。然而，它并没有产生足够的能量运行复杂的活动跟踪器或多功能智能手表，也没有像我们希望的那样让人感到舒服。
诚然，真正有用的可穿戴设备包含了比数字手表更多的部件。甚至最简单的主动追踪器都包含了加速表、存储器和蓝牙无线电装置。这两个部件的总功率大约为1到2毫瓦，是我们2014年展示的产品的10倍。提高可穿戴生物燃料电池的能量密度，实际上是我们面临的最大挑战之一。假如这些电池产生的能量比替代技术要少，那么它们就不能成为真正的产品。
再看一下燃料电池的设计，我们发现阳极的表面比较平整。这就是说，阳极只能接触它下面的分子，这就极大地限制了电池可以催化的生物燃料的数量。2017年，我们与加州大学圣地亚哥分校的徐升和他的团队合作，研究了一种能附着在阳极和阴极顶部的球形三维碳纳米管结构。这类小球能增加电极的有效表面积，但不会增加设备的实际面积。尽管采用三维结构意味着我们的电池不再能完全打印，但是我们可以在每个电极上装更多的催化剂，这样就能得到更多的燃料，从而使电池产生更多的能量。
由于增大电池的有效表面积，并进一步改进催化剂的化学组成，我们能够将能量密度提高到10倍，达到每平方厘米1毫瓦。这个能量密度与太阳直射时小型太阳能电池的能量密度相当。
为测试这一设计，我们制作了一块电路板，上面装有蓝牙无线电组件，这通常是可穿戴设备中最耗电的组件。本公司生产的乳酸燃料电池原型机功率约1毫瓦，足以满足无线电设备、小型微处理器以及温度传感器和电压转换器等外围设备的需要。
