用體溫“發(fā)電”的衣服

鄭晶敏

服裝面料可以有多少種用途？結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，一塊看似普通的面料可以變色、調(diào)溫甚至充當(dāng)電子設(shè)備，檢測穿戴者的生命體征。美國普渡大學(xué)比爾克納米技術(shù)中心的研究員Kabuki Yazawa提出了一種新的可能性—發(fā)電。

這大概是最節(jié)能的“發(fā)電機(jī)”了，因?yàn)槟芰縼碓凑谴┐髡叩捏w溫。Kabuki Yazawa發(fā)明的熱電半導(dǎo)體絲線，能從接觸到的各種物體表面吸收熱量，然后轉(zhuǎn)化成電能。在實(shí)驗(yàn)中，Kabuki Yazawa發(fā)現(xiàn)當(dāng)這種材料與人體接觸時(shí)，能夠產(chǎn)生微弱的電流。

熱電半導(dǎo)體絲線由四個(gè)部分組成，由內(nèi)到外分別是纖維芯、由納米結(jié)構(gòu)的銅鋅硫化物構(gòu)成的半導(dǎo)體、金屬閘極和由高分子聚合物組成的外表層。將它織入服裝面料，就得到了熱電面料—也就是能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)化的面料。

“這種新材料的誕生打破了傳統(tǒng)熱能發(fā)電機(jī)的局限性，”Kabuki Yazawa說，“它比普通的電熱裝置更加輕薄、靈活，能適應(yīng)更廣的溫度范圍?！?/p>

熱電半導(dǎo)體絲線的工作原理即溫差發(fā)電，這是一種常見的發(fā)電技術(shù)。早在1821年，德國科學(xué)家Thomas Johann Seebeck就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)電路回路中的兩個(gè)接頭存在溫度差時(shí)，熱量會從溫度低的一側(cè)轉(zhuǎn)移到溫度高的一側(cè)并釋放，這時(shí)電路周圍會出現(xiàn)磁場。經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，Seebeck發(fā)現(xiàn)回路中存在電動勢，但這要求高溫端的溫度足夠高。

除了熱能發(fā)電機(jī)普遍具備的高效、無毒等優(yōu)勢外，熱電半導(dǎo)體絲線得以應(yīng)用的重要一點(diǎn)就是它能在人體體溫環(huán)境下使用。

2014年，普渡大學(xué)公布的特色技術(shù)里就有“納米結(jié)構(gòu)的熱電能轉(zhuǎn)換”技術(shù)，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)成熟度只達(dá)到第三級—理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究。

這項(xiàng)產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)在于，如何讓它變得更薄且更柔軟，宜于裁制成衣服來穿著。

“傳統(tǒng)的熱電發(fā)電機(jī)需要至少1英寸（約合25.4毫米）厚的元件才能產(chǎn)生足夠的輸出功率，但這么厚的元件幾乎無法適用于任何可穿戴設(shè)備?！盞abuki Yazawa說。熱電半導(dǎo)體絲線體積雖小，但要被織進(jìn)衣物，讓人體舒適地穿著，則對其柔軟性提出了更高要求。Kabuki Yazawa認(rèn)為材料的柔軟性是限制該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題，這也是他在接下來要著重解決的問題。

在將熱能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，熱電半導(dǎo)體絲線還能給人體降溫。熱電元件在工作時(shí)會吸收熱能，從而達(dá)到降溫效果。這意味著熱電半導(dǎo)體絲線除了充當(dāng)“移動電源”之外，還有可能變成移動的空調(diào)。

但Kabuki Yazawa表示，這種材料降溫幅度有限。跟專門的調(diào)溫服裝相比，熱電半導(dǎo)體絲線不能隨著人體和環(huán)境溫度的變化時(shí)刻達(dá)到降溫效果—只有當(dāng)人體體溫和環(huán)境溫度的差值足夠大時(shí)，熱電裝置才能運(yùn) 轉(zhuǎn)。

智能面料一直是材料研究領(lǐng)域的熱門課題，技術(shù)公司Google就熱衷于此。它曾和美國伯克利大學(xué)合作研制會變色的智能紡線。去年5月，Google與李維斯（Levis）合作推出了智能面料—Project Jacquard。研究人員將電子產(chǎn)品特有的觸摸功能和手勢功能植入面料。不同于以往單純將電子設(shè)備縫入成衣的思路，Project Jacquard是由導(dǎo)電纖維直接織成的。

這和Kabuki Yazawa研發(fā)的熱電半導(dǎo)體絲線類似。這樣做的好處是讓智能設(shè)備成為面料本身，服裝設(shè)計(jì)師把它當(dāng)作一塊普通面料來設(shè)計(jì)并制作成衣。

與已經(jīng)投入市場的李維斯智能牛仔褲相比，Kabuki Yazawa研發(fā)的熱電半導(dǎo)體絲線還需要進(jìn)一步試驗(yàn)與改良。Kabuki Yazawa表示，這項(xiàng)技術(shù)目前還處于開發(fā)早期階段，未來必須通過各式各樣的研究來探索多種類型的面料，以及其在時(shí)尚方面的應(yīng)用。

目前該材料可能最先應(yīng)用于運(yùn)動裝備。人在運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的能量可以提高熱電半導(dǎo)體絲線的轉(zhuǎn)化效率，利用人體產(chǎn)生的熱量，它還能為運(yùn)動手環(huán)等檢測心率和呼吸的可穿戴設(shè)備提供動力。

此外，這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也有較大應(yīng)用空間。比如心臟監(jiān)護(hù)儀、呼吸和排汗監(jiān)測儀等，對老年人或創(chuàng)傷恢復(fù)者來說非常有用?！叭绻粋€(gè)病人或運(yùn)動員的體溫過高，他們的生命體信息可以實(shí)時(shí)地被教練或?qū)I(yè)的醫(yī)療人員接收到，從而實(shí)行更好地監(jiān)控和治療。同時(shí)，這些類型的設(shè)備可以依靠體溫充電持續(xù)使用，從而一舉兩得?！盞abuki Yazawa認(rèn)為他的研發(fā)成果在運(yùn)動相關(guān)的可穿戴設(shè)備市場還有巨大的優(yōu)化潛力。

除了利用人體體溫發(fā)電，熱電材料還能回收發(fā)電機(jī)或者冰箱的廢熱并將其轉(zhuǎn)換為電能，從而達(dá)到節(jié)能效 果。

熱電半導(dǎo)體絲線成為“服裝上的發(fā)電機(jī)”之后，可能會為智能面料帶來翻天覆地的變化。人們不再需要額外的電源來為可穿戴設(shè)備供電，智能面料本身就能形成一個(gè)電源，這就形成了一個(gè)電子設(shè)備的閉環(huán)。

這為智能服裝的功能和設(shè)計(jì)提供了更多可能性?！皩淼姆b或許能幫助穿戴者表達(dá)個(gè)人情感，這種靈活的電源設(shè)備能將多種電子元件應(yīng)用于服裝和面料，從而極大地改變時(shí)裝的功能。比如穿著者將來或許能通過LED發(fā)光、改變服裝顏色、互動顯示屏等方式，豐富個(gè)人情感的表達(dá)方式?！盞abuki Yazawa說。隨著納米結(jié)構(gòu)的熱電技術(shù)日益成熟，智能服裝與時(shí)尚的結(jié)合也將更加緊密。

目前，熱電半導(dǎo)體絲線已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)取得成功，普渡研究基金會的技術(shù)商業(yè)化辦公室已經(jīng)獲得了該技術(shù)的專利。Kabuki Yazawa和研究員們正在準(zhǔn)備進(jìn)一步的測試和開發(fā)。