基于人体介电极化效应的电子织物实现环境电磁能量回收新突破

针对分布式可穿戴电子系统供电难题，本研究创新性地提出利用人体介电极化效应（body dielectric polarization）的电子织物（PolaTex），通过空间电荷/偶极极化机制回收环境低频电磁能量。该技术可实现单人10.2mW（10.01dBm）的能量回收，成功驱动无电池心电监测系统，为体域网（BAN）提供了颠覆性的自供电解决方案。

　　

在智能穿戴设备快速发展的今天，体域网（Body Area Network, BAN）技术正逐渐融入健康监测、医疗诊疗和人机交互等领域。然而，这些分布式电子系统的供电问题始终是制约其发展的瓶颈。传统电池存在充电周期和寿命限制，无线能量传输技术易受对齐和距离影响，而环境能量收集技术如柔性光伏、摩擦发电和热电器件等，往往受限于环境条件或运动状态，且通常需要固定在衣物特定位置，难以满足BAN系统分布式、灵活性的需求。

环境中的电磁（EM）能量作为一种稳定存在的能源，为可穿戴BAN系统提供了新的可能。当前环境电磁能量收集研究主要集中于高频波段（MHz、GHz），但存在功率低（纳瓦级）、需要专用电子元件和精确阻抗匹配等问题，难以满足整个BAN系统的能量需求。与此相比，低频（50/60 Hz）电磁场因其波长较长（公里级），寄生电容和辐射损耗较小，可通过近场感应有效捕获。人体作为一种具有高介电常数和电导率的介质（50 Hz时ε_r≈10⁶，σ≈0.1 S m^-1），相较于空气（ε_r≈1，σ≈10^-14 S m^-1），是电磁能量传递的优异 transducer（转换器）。

针对这一挑战，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Yuanlong Li、Weifeng Yang等研究人员在《Nature Communications》发表了题为“Leveraging body dielectric polarization for ambient electromagnetic energy recovery via e-textile”的研究论文，提出了一种基于人体介电极化效应的电子织物（PolaTex），实现了环境电磁能量的高效回收，为分布式可穿戴电子系统提供了新的供电解决方案。

研究团队通过材料制备、电学性能测试、电磁能量回收实验和多节点应用验证等一系列技术方法，系统评估了PolaTex的性能。采用PEDOT:PSS浸渍的棉织物作为导电基底，通过空气喷涂沉积明胶基水凝胶层以降低皮肤-电极界面阻抗，并利用硫酸铵处理进一步提高水凝胶的机械性能和导电性。通过COMSOL Multiphysics仿真模拟了电磁场在人体表面的分布和电势衰减，使用示波器测量了回收的电压和功率信号，并在典型办公环境中验证了其实际应用效果。

概念与原理

研究团队提出了基于人体介电极化效应的体域网能量回收概念。当人体暴露于低频电磁场时，体内的离子和水分子会发生空间电荷极化和偶极极化，使人体成为高斯表面，积累极化电荷。PolaTex通过诱导极化电场，从这些充电效应中回收能量，为BAN节点供电。仿真结果表明，在距离发射源100 cm处，人体表面仍保持约1 V的电势，而空气中电势接近零。实验测量显示，PolaTex可回收10.01 dBm的能量，而悬浮电极仅能回收-30.63 dBm。

极化机制分析

通过高斯电介质定律，研究团队解释了人体介电极化机制。极化电荷密度与人体相对介电常数成正比，空气介电常数约为1，无法维持极化，而人体在50 Hz下介电常数高达10⁶，能将大部分电磁能转化为极化能。极化主要通过离子空间电荷极化和水分子偶极极化实现。实验测量了不同材料的绝对介电常数，发现极性液体（如水、NaCl溶液）因偶极极化和空间电荷极化具有较高介电常数，而非极性材料（如戊烷）则几乎无响应。溶剂的极性指数与回收电压呈正相关，离子浓度增加可进一步提升回收效果。

织物性能评估

PolaTex在保持透气性的同时，实现了低界面阻抗和良好的机械性能。水凝胶处理后的织物透气性仅略有下降（从286 mm s^-1降至243 mm s^-1），经过10次洗涤后电学性能无显著衰减。拉伸测试表明，PolaTex在50%应变下仍保持弹性行为。在50 cm距离下，PolaTex可实现11.02 μW/人的输出功率，直接接触笔记本电脑时可达6.05 mW/人。回收能量随距离增加而减少，但织物面积对电压影响较小，而暴露面积对电压有显著影响。不同身体部位（手腕、腿部、腹部）的回收能量一致，多节点同时工作时各节点能量互不影响。

应用验证

研究团队演示了PolaTex在体域网中的实际应用。通过能量管理模块将回收的交流电整流为直流电，存储于电容中，用于驱动心电监测（ECG）设备。该设备无需外部电源，仅依靠人体介电极化回收的能量即可实现心率和呼吸率的无线监测。此外，PolaTex可集成于袜子、护膝和腕带等多种可穿戴形式，为分布式BAN节点供电。柔性能量管理电路可稳定输出3.3 V电压，适用于商用电子设备。实验显示，PolaTex可连续驱动发光纤维设备并为电子手表充电，而脱离人体后能量回收几乎为零。

本研究通过人体介电极化效应实现了环境电磁能量的高效回收，为解决体域网分布式供电问题提供了创新方案。PolaTex利用人体作为能量转换和传递的载体，无需额外的发电实体，即可从环境中回收毫瓦级功率，显著优于现有电磁能量收集技术。该技术不仅展示了在心电监测等医疗健康领域的应用潜力，还为未来可穿戴电子提供了一种舒适、可洗涤、无电池的供电方式。通过将能量回收与人体自身结合，研究为分布式无线体域网的发展奠定了坚实基础，开创了可穿戴能源的新范式。