尋找下一代發(fā)明家

冠軍作品—電能共生體

設(shè)計者：（同濟大學）胡可兒、袁碩

它是什么

電能共生體（Power Mutualism）是一種輕質(zhì)、柔性、可移動、綠色的可穿戴自驅(qū)動型藍藻細菌發(fā)電材料，能夠從人體汗液、陽光和空氣中獲取養(yǎng)分，通過藍藻細菌光合和呼吸作用釋放電能，為可穿戴傳感或物聯(lián)網(wǎng)的小型智能設(shè)備提供綠色能源，使其擺脫外部電源充電等各種限制。并且它在運作過程中能減碳產(chǎn)氧，有助于緩解溫室效應(yīng)，促進可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)計靈感

從定點的電話亭到移動的手機，電器在變小、變輕、離網(wǎng)、離線，近未來將是物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)。但現(xiàn)有的供電方式構(gòu)成諸多限制。比如需要外接電源或定期充電，限制使用者活動;電池占據(jù)可穿戴設(shè)備的大部分重量，增加負擔;硅基材料體感差。最重要的是，大部分獲取能源的方式都對自然造成了巨大的傷害：化石燃料發(fā)電排放溫室氣體和有毒物質(zhì);電網(wǎng)在層層分配傳輸過程中產(chǎn)生隱形浪費;硅基電池原料不可降解……設(shè)計團隊在思考如何使新能源促進移動智能設(shè)備發(fā)展時，近年來世界各地爆發(fā)的“藻華”給了他們靈感。他們發(fā)現(xiàn)藍藻細菌在光合作用過程中會釋放電子，就像細胞級的發(fā)電廠。利用無處安放的“自然垃圾”藍藻，電能否被設(shè)計得更綠色、更輕負擔、更移動？

如何運作

利用藍藻細菌在光合作用中釋放電子的生命機制，設(shè)計團隊設(shè)計并實現(xiàn)了完整的可穿戴自驅(qū)動型電池結(jié)構(gòu)，具體的技術(shù)運作有：

1、基于生物光伏電池的基本結(jié)構(gòu)，該發(fā)電材料具備產(chǎn)生電子的陽極、催化氧化還原反應(yīng)的陰極，和進行離子交換的鹽橋。該結(jié)構(gòu)能捕獲藍藻細菌的電子，每12平方厘米（相當于一塊奧利奧餅干的面積大?。┊a(chǎn)生0.3伏～0.4伏的電壓;

2、單向?qū)竦乃止芾砜椢锵褚罕靡粯幼匀坏卣T導水分子連續(xù)、高速地從皮膚表面向外流動，從而促進電池的化學反應(yīng);

3、人體汗液作為自驅(qū)動力觸發(fā)離子交換，構(gòu)成了人體環(huán)境下完整的發(fā)電結(jié)構(gòu)，為小型可穿戴設(shè)備提供綠色電能;

4、并且人體汗液能持續(xù)為藍藻細胞提供水分、氯化鈉等養(yǎng)分，并有陽光、空氣、雨水等環(huán)境元素共同使得藍藻保持活性，以產(chǎn)生電能;

5、利用微藻光合產(chǎn)氧的生命機制，藍藻細菌發(fā)電材料能夠吸收二氧化碳、釋放氧氣，幫助緩解溫室效應(yīng)，有益于可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)計過程

在代爾夫特理工大學的材料體驗實驗室和同濟大學環(huán)境科學與工程學院的幫助和指導下，設(shè)計團隊開始了跨學科的研究與實驗。在諸多科研論文的基礎(chǔ)上，他們運用藍藻細菌涂層、多壁碳納米管導電油墨、鍍鉑碳布等原材料制作電池，第一次成功捕獲了藍藻細菌產(chǎn)生的電子。該藍藻細菌發(fā)電材料的原型大致經(jīng)過三次迭代：第一種“chamber”腔室型電池體積和質(zhì)量相對較大，具備完整但復雜的光伏電池結(jié)構(gòu);為了更好地拓展性，化簡為了第二種“sandwich”三明治型，其輕質(zhì)、柔性，厚度僅1毫米～2毫米;為了更適宜人體穿戴，他們又將材料的結(jié)構(gòu)改變?yōu)椤皐earable”可穿戴型。通過面料吸水性等性能測試，從10余種材料中篩選出具有快速單向?qū)裥阅艿乃止芾砜椢?，作為?gòu)建電池鹽橋的重要部分。通過在實驗室環(huán)境和健身房中的多次原型測試，實現(xiàn)了可穿戴自驅(qū)動型藍藻細菌發(fā)電。為了使電能共生體系統(tǒng)的效率更高，他們引入了參數(shù)化生成式設(shè)計。運用基于人體汗液圖譜和沃羅諾伊圖的算法，最大化利用人體汗液、加速電池陰陽極之間的離子交換，使能量循環(huán)更高效，以減少自驅(qū)動型電池的無效能耗。最后，經(jīng)過3D建模、制版、絲網(wǎng)印刷、數(shù)字切割等工藝流程制作了最終功能性的成衣，用手臂上的燈光反饋來表達可穿戴藍藻電池的運行狀態(tài)。

有何不同

和功率大、有序性強、移動性弱的低熵能源相比，電能共生體是一種功率小、數(shù)量多、移動性強的高熵能源。它可以幫助智能電子設(shè)備從“中心化的電網(wǎng)傳輸和有線充電”向“分布式的離網(wǎng)離線自供電”發(fā)展，滿足近未來物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的能源需求。與干電池或蓄電池相比，電能共生體像一個移動的綠色發(fā)電廠，材料輕質(zhì)、柔性、透氣，更適合作為面料為可穿戴設(shè)備供電，并且更環(huán)?？沙掷m(xù)。與其他生物電池相比，電能共生體有效利用人體環(huán)境中“無用”的汗液，構(gòu)成了自然與人類協(xié)作共生的新能源。與太陽能電池相比，電能共生體在夜晚無光照時，也能通過藍藻細菌的呼吸作用來產(chǎn)生電能。與其他環(huán)保材料相比，電能共生體不僅僅是生物可降解的，還有效利用了被遺忘或丟棄的豐富自然資源藍藻，能夠減碳產(chǎn)氧，不止“零排放”，而是“負排放”。

未來計劃

目前這項技術(shù)的發(fā)明專利正在審核中。對于未來，設(shè)計團隊的有三大目標。一是對材料做更全面的性能實驗和研究，并專門針對批量化生產(chǎn)做更深入的實驗和探索。二是探索將技術(shù)應(yīng)用于各個具體場景的方案。比如在日常環(huán)境下，為健康監(jiān)測設(shè)備、殘疾人或老人安全監(jiān)測等智能可穿戴設(shè)備供電。或在野外極端環(huán)境下，使用其應(yīng)急供電等。三是獲得支持資金，并獲得研究、技術(shù)、生產(chǎn)、等方面的合作。

全國入圍獎—凝心家用凝血檢測服務(wù)系統(tǒng)

設(shè)計者：（重慶大學）楊宇辰、任邵陽、趙德勝、王夢雅、秦盛康、譚郎、李雄、韓風俊

它是什么

凝心家用凝血檢測服務(wù)系統(tǒng)，檢測儀硬件部分是由重慶大學生物工程學院研制。能夠以指尖采血的形式對人體凝血四項數(shù)據(jù)進行精準檢測，操作簡單便捷，患者能夠在家自行操作。同時可以將檢測的數(shù)值反饋給醫(yī)生端，醫(yī)生根據(jù)數(shù)值給出具體的用藥反饋?；颊卟槐卦俳?jīng)常趕赴醫(yī)院，排隊進行復查，并耗費冗長的時間等待復查結(jié)果。檢測形成的數(shù)據(jù)鏈能夠最大程度上反饋出患者周期內(nèi)的病情變化，能夠更好地把握病情。使患者能夠足不出戶即可精準把握病情。

設(shè)計靈感

團隊中有一位成員的爺爺是心血管疾病患者，同時也是一位三十年經(jīng)驗的鄉(xiāng)村醫(yī)生，據(jù)他介紹，村里有很多老年人患有心血管疾病。該類病癥本身并不難控制，心血管疾病患者主要治療方式為支架手術(shù)，術(shù)后需要根據(jù)定期復查結(jié)果更改藥量，部分藥物無論藥物過量還是不足，都會對身體造成不可逆損傷。而超過六成患者由于疏忽、行動不便等因素制約，無法定期復查來改變藥量，從而造成病情惡化。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國心血管疾病患者總數(shù)約為2600萬人，已經(jīng)成為影響中國中老年人健康的主要問題?；谠O(shè)計師的社會責任感，決定以設(shè)計的力量為該問題提供解決思路。

如何運作

除了先前講到的以指尖采血的形式對人體凝血四項數(shù)據(jù)進行精準檢測，以及將檢測的數(shù)值反饋給醫(yī)生外，服務(wù)系統(tǒng)還將心血管疾病患者的飲食健康、運動健康、心理健康三大板塊納入服務(wù)系統(tǒng)中，能夠從這三個方面為患者提供引導與線下幫助。

設(shè)計過程

調(diào)研階段：團隊走訪十余家社區(qū)醫(yī)院與十家鄉(xiāng)村診所，與一線醫(yī)生、醫(yī)師以及護理人員進行深度的溝通交流，對病癥的預防和治理有了較為充分的認識。同時與部分患者進行深入的交流，細致的觀察患者的生活習慣、心理狀態(tài)，最終能夠較為寫實地生成用戶畫像，方便后續(xù)的研究。

定義階段：在對基本情況有了了解之后，團隊開始思考需要設(shè)計一款什么樣的產(chǎn)品來解決現(xiàn)有的問題，幫助心血管疾病患者健康而有尊嚴的生活。最終，他們將產(chǎn)品定義為“通過對技術(shù)和服務(wù)系統(tǒng)的整合，使心血管疾病患者足不出戶即可精準把握病情的產(chǎn)品”。

設(shè)計階段：為了進行技術(shù)攻關(guān)，引入了重慶大學生物工程學院博士研究生團隊，最終能夠?qū)崿F(xiàn)凝血檢測設(shè)備的家用化。擁有四項國家級技術(shù)發(fā)明專利作為支撐，在充分研究用戶行為習慣后，將醫(yī)生、患者、患者家屬納入服務(wù)系統(tǒng)中，使得服務(wù)系統(tǒng)更加全面和完善。

迭代階段：在產(chǎn)生一定臨床數(shù)據(jù)和用戶反饋后，開始對產(chǎn)品的體量大小、服務(wù)系統(tǒng)進行改良和升級。

有何不同

成本優(yōu)勢：由于技術(shù)路線不同，產(chǎn)品的硬件部分在保證檢測效果的前提下實現(xiàn)成本更低。與市面上競品相比，售價更為親民，在后期產(chǎn)品推廣和投放階段，具有較大的優(yōu)勢，能夠真正滿足更多心血管疾病患者的需求。

服務(wù)優(yōu)勢：相比于冰冷的單一硬件產(chǎn)品，凝心家用凝血檢測服務(wù)系統(tǒng)能夠以凝血檢測服務(wù)作為基礎(chǔ)，從患者的生活習慣、飲食習慣、用藥安全以及心理狀況等能夠?qū)Σr產(chǎn)生直接影響的因素提供服務(wù)，更加貼心，更有溫度感。操作優(yōu)勢：產(chǎn)品與市面上競品相比，體量更小，患者可以通過指尖采血的形式進行檢測，檢測后自動將數(shù)據(jù)傳送給后臺。醫(yī)生可以在系統(tǒng)后臺生成的數(shù)據(jù)鏈看到病人的病況，并對病人的用藥等進行調(diào)整指導，操作更加便捷。

未來計劃

目前已經(jīng)與重慶龍湖地產(chǎn)進行洽談，計劃硬件部分通過以其他產(chǎn)品替代的方式，先對服務(wù)系統(tǒng)進行驗證和檢測。在多個社區(qū)投放，收集用戶的反饋以及數(shù)據(jù)，首先迭代服務(wù)系統(tǒng)。同時，硬件部分在申請專業(yè)醫(yī)療器械執(zhí)照，接受審批檢驗。在執(zhí)照申請成功后，將硬件產(chǎn)品投入到已有的服務(wù)系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)再對硬件部分進行升級。