基于可拉伸柔性热电能量收集的间歇式自供电健康监测设备

《Nano Energy》：Intermittent Self-powered Health Monitoring Device Based on Stretchable Flexible Thermoelectric Energy Harvesting

自供电健康监测系统基于柔性热电发电机（SFTEG），利用人体与环境的温差发电，集成能量管理模块、微控制器及传感器，实现间歇式监测。实验验证其输出电压达3.3V，支持超电容充电，性能优于现有柔性热电装置。

　　

明珠园|一洲奇|旭东申|海连刘|芒石|如凡宇|硕黄|大毅陈|胜耀贾|葛石

章节摘录

引言

随着可穿戴电子设备和传感器技术的快速发展，社会对便携式电源的需求持续增长，尤其是对电池寿命和充电效率的期望越来越高。然而，传统电池带来的环境污染问题依然存在。随着环保意识的提高，绿色能源已成为一个备受关注的领域[1]、[2]。能量收集技术，特别是那些能够转换环境光能的技术[3]、[4]，

整体系统设计

在人体健康检测领域，如何利用人体的特性来开发自供电设备，从而为可穿戴设备提供能量，是当前研究的重点[41]、[42]、[43]。间歇性监测比连续24/7的数据收集更有效。对于低风险人群——包括普通公众、病情稳定的慢性病患者或康复期患者以及远程工作者——固定的或医疗规定的时间间隔就足以满足基本需求

SFTEG设计原理

在集成到可穿戴健康监测设备中的SFTEG设计中，材料选择直接影响能量转换效率和实际性能。考虑到室温下的热电性能要求，Bi?Te?因其较高的热电优值和优异的柔韧性而成为构建热电单元的首选材料[45]。SFTEG利用塞贝克效应（Seebeck effect）将人体表面的热量持续转化为电能

能量管理设计与系统架构

利用SFTEG的柔韧性和可集成性，设计并制造了一种用于人体健康监测的柔性可穿戴设备。如图5a所示，传感器安装在PI基板的背面，而其余电子元件则放置在前面。该设备的整体尺寸为长13.10厘米、宽19.77厘米、厚1.65毫米，电路部分的长度为6.41厘米，宽度为3.87厘米。整个系统

实验测试

基于SFTEG设计的柔性设备实现了系统的集成闭环验证。在测试过程中，SFTEG作为系统的能量供应单元，其接触皮肤的一侧作为热端，而环境温度作为冷端，在两者之间形成稳定的温差。能量管理电路将SFTEG的输出电压提升至3.3伏特，从而实现对超级电容器的充电。

讨论

在这项研究中，我们对专门为健康监测设计的可拉伸柔性热电能量收集设备进行了系统分析和实验验证，并在典型的日常场景中完成了佩戴测试。同时，我们将该设备与可穿戴技术领域的现有柔性热电发电机进行了比较（见表1）。Liang等人报道了一种非平面的锯齿形π型Bi?Te?基FTEG。尽管其设计具有一定的创新性，

结论

本研究提出并实现了一种基于可拉伸柔性热电能量收集的间歇式自供电健康监测设备。该设备利用人体与环境之间的温差来获取绿色能源，减少了对传统电池的依赖，延长了可穿戴设备的寿命并降低了维护成本。系统包括SFTEG、能量管理模块（EMM）、微控制器（MCU）、传感器、蓝牙低功耗（BLE）模块和外围电路。SFTEG采用了独特的

CRediT作者贡献声明

芒石：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据整理。如凡宇：软件开发、数据整理。硕黄：验证、软件开发、数据整理。大毅陈：正式分析、数据整理。胜耀贾：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金筹措。葛石：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论制定、资金筹措、概念构思。明珠园：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号62334006、62271275、62131010、U22A2013和62574191）的支持，部分得到了浙江省自然科学基金（项目编号LR22F010001）以及浙江省科技计划项目（项目编号2024C01001）的支持。

明珠园于2023年在中国安徽的安徽科学技术大学获得了建筑电气与智能专业的学士学位。她目前在中国杭州的中国吉利学院攻读硕士学位。她的研究方向包括高效环境能量收集系统、柔性可穿戴设备和嵌入式系统。