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2021 年 3 月 12 日，IDC 發布《中國可穿戴設備市場季度跟蹤報告，2020年第四季度》。
報告顯示，2020 年中國可穿戴設備市場出貨量近 1.1 億臺，同比增長 7.5%。市場的發展機遇主要在于三方面：
其一，藍牙耳機和成人手表顯著拉動了整體市場的增長，將是未來發展的重要驅動。
其二，整體廠商格局依然存在變化空間。
其三，頭戴音頻等新形態逐漸演進，可穿戴設備正在逐漸從腕戴設備向頭戴（包含耳戴）設備擴展。
市場的發展情況由此可窺見一斑，其實在學術界，可穿戴設備也是一個重點關注領域。
比如在 2019 年 5 月，韓國首爾國立大學醫院曾研制出一款對心室房顫檢測準確率達 99.3% 的可穿戴式手環。
2020 年 10 月，一名德國科隆設計學院人機交互設計和研究專業碩士研究生基于牙套打造了一套簡單的可穿戴設備，佩戴上這款設備后，舌頭就能代替鼠標操作電腦游戲。
就在上周，美國科學家們公布了一項該領域的最新進展——直接通過人體收集、儲存能量，為電子設備供電。
確切地說，科學家們設計的不僅是一款設備，而是一種「可穿戴系統」。
2021 年 3 月 9 日，相關研究成果發表于學術期刊《自然-通訊》，題為 A self-sustainable wearable multi-modular E-textile bioenergy microgrid system（一種自我可持續的可穿戴多模塊電子紡織生物能源微電網系統）。
論文顯示，作者均來自美國加州大學圣地亞哥分校納米工程系可穿戴傳感器中心。
研究團隊的著眼點在于可穿戴電子設備的充電問題。
論文介紹：
通常，可穿戴設備的充電方式較為頻繁且復雜，無法在充電時使用，其電力需求也在不斷增長。
針對此，科學家們曾經提供過解決方案，即：為可穿戴系統集成能源采集器，比如太陽能電池、摩擦發電機（TEG）和酶/微生物燃料電池（BFC），旨在保證系統能夠自我可持續運行。
此外還有一個策略是，從人體本身或環境中收集能量，然后將這些能量進行調節，并存儲在電池或超級電容（SC）等存儲模塊中。
不過上述策略并非完美無缺，其問題在于，系統操作依賴的不是單一輸入源（意味著同樣會限制能源可用性），就是多個并不協同的操作同步進行（將引入額外的限制）。此外，一些策略主要依賴外部環境的能量輸入（如熱電、光伏），這些往往是無法控制的。
為此，研究團隊提出了「可穿戴電子紡織微電網系統」的概念。
簡單來講，這是一種以紡織為基礎的多模塊系統，由互補、協同的能量采集器和相稱的能量存儲模塊供電。主要原理在于通過運動擺臂和流汗產生能量，快速持續地為電子設備供電。
如下圖所示，這一系統結合了：
由走路或跑步時由軀干擺動運動提供能量的 TEG；
由汗液驅動的 BFC；
SC 模塊，用于調節不同功率需求下可穿戴應用的供電，主要是通過儲存兩種設備的能量，然后向小型電子設備放電。
TEG 位于小臂和兩側腰部附近，BFC 位于胸部。
據了解，所有部件都是靈活的，并可絲網印刷（一種印刷工藝，指用絲網作為版基，通過感光制版方法制成帶有圖文的絲網印版）到衣服上。所有部件都通過柔性的銀材料連接（銀通過防水涂層絕緣）——基于此，每個部件的性能不受反復彎曲、折疊、揉皺、水洗的影響。
另外論文顯示，TEG 和 BFC 是兩個基于人類活動的、具有獨特且互補能量轉換機制的采集器。正如論文共同一作、加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院（Jacobs School of Engineering）納米工程博士生 Lu Yin 所言：
當把這兩者加在一起時，它們就彌補了彼此的缺點。它們是互補和協同的，可實現快速啟動和持續供電。想象一下，BFC 就像一個緩慢流動的水龍頭，TEG 就像一根向外噴水的軟管。
為驗證系統的效果，研究團隊設計了一個 30 分鐘的測試。
穿戴上這一設備，被試經歷了 10 分鐘（7 分鐘左右開始出汗）的單車機運動及跑步，手臂擺動頻率保持在 1.5 Hz 左右，隨后是 20 分鐘的休息。
如上圖 c 所示，研究人員將系統與僅靠 TEG、BFC 的情況進行了對比：
僅靠 TEG 運行的系統（藍色線條）：在手臂開始擺動后立即能量收集，并在 10 分鐘的鍛煉過程中持續為 SC 模塊充電。運動一停止，TEG 就停止供電，SC 模塊緩慢自放電。
僅靠 BFC 運行的系統（綠色線條）：系統啟動緩慢，有 6 分鐘的延遲。然而 BFC 能在出汗開始時快速為 SC 模塊供電，并在運動停止后 17 分鐘實現對 SC 的完全充電。
「可穿戴微電網系統」（紅色線條）：能夠補償啟動緩慢和瞬態收獲，在 7 分鐘內快速充滿 SC 模塊，并在 30 分鐘內保持最大電壓。
可見，該系統的啟動速度是單獨使用 BFC 的 2 倍，持續時間是單獨使用 TEG 的 3 倍。
結果表明，系統能在 30 分鐘內為液晶手表或小型電致變色顯示器（指用電致變色材料做成的器件，可根據施加的電壓改變顏色，主要被應用于儀表顯示、戶外廣告、靜態顯示等領域）供電。
據了解，這一設計的靈感來源于城市微電網。Lu Yin 表示：
我們應用微電網的概念來創建可持續、可靠、獨立供電的可穿戴系統，集成了從人體不同部位收集能量的設備，這就像城市微電網集成了多種當地可再生能源（如風能、太陽能）。
所謂城市微電網，可以通過下面這個例子來理解。
我國有個珠海東澳島微電網項目，該項目在最大程度上利用島上豐富的陽光和風力資源、在最小程度上利用柴油發電，從而提供綠色電力。
這一做法的效果顯著——東澳島可再生能源發電比例從 30% 上升至 70%，東澳島長期的缺電情況也得到了改善。
正如 Lu Yin 所說，這項研究的主要創新不是可穿戴設備本身，而在于所有設備的系統性、高效集成性。
或許，這一設計將為可穿戴設備的發展帶來新的啟發。
引用來源：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7#Sec1
https://techxplore.com/news/2021-03-wearable-microgrid-human-body-sustainably.html
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