壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！

導讀

近日，瑞典科學家開發出一種 能將動能轉化為電能的織物 。 織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。

背景

壓一下某種材料，就會產生電力？ 聽上去有點不可思議，但這正是所謂的“壓電效應”向我們所展示的。

（圖片來源：維基百科）

壓電效應 （ piezoelectric effec t ） ，簡單說，就是指 對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。 從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。 壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。

一般來說，壓電材料包括： 骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物 等等。 此類材料的應用範圍非常廣，例如： 移動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。 壓電效應的主要用途之一就是發電，例如我們走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪音產生的能量都可以被採集起來轉化為電能。

有關壓電效應的創新案例 之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個經典案例：

1) 美國 賓夕法尼亞州立大學 研發出的 新型換能器 ，可以採集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

2）美國范德堡大學開發的 新型超薄能量採集系統 ，即使受到 極低頻率的人體運動所產生的 彎曲或按壓，也可以產生少量電力。

（圖片來源於：John Russell / 范德堡大學）

3） 愛爾蘭利默里克大學（UL）伯納爾學院 的科學家 觀察到 溶菌酶晶體 （一種大量存在於禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。

（圖片來源：利默里克大學）

創新

近日，瑞典查爾姆斯理工大學（ Chalmers University of Technology ）的科研人員與位於布洛斯市（ Borås ）的瑞典紡織學院及研究機構 Swerea IVF 合作，開發出一種 能將動能轉化為電能的織物。 織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。 研究結果發表於“自然合作期刊”（N ature Partner journal ）《柔性電子（ Flexible Electronics ）》。

（圖片來源： Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學 ）

技術

查爾姆斯理工大學 研究員 Anja Lund 和 Christian Müller 開發出一種在拉伸或者受到壓力時能夠發電的織物。 目前，這種織物產生的電力足以點亮一盞LED燈、發送無線信號或者驅動小型電氣單元，例如口袋計算機或者數字手錶。

這項技術也是基於 壓電效應（ piezoelectric effect ），它會通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產生電力。 在這項研究中，研究人員通過將 壓電紗線 與 導電紗線 （用於傳輸生成的電流）編織到一起做成一種織物。

Lund 表示：“這種織物是柔軟的，並且在潮濕時效率更高。為了論證研究成果，我們採用了單肩包肩帶上的一片織物。包越重，含這種織物越多，那麼我們能 獲取到的能量也越多。當包內裝有3公斤書籍時，我們可以產生4毫瓦的連續輸出，這足以間歇地為一盞LED燈供電。通過這種織物做成一個完整的包，我們 能夠獲取到足夠的能量來傳送無線電信號。”

（圖片來源：參考資料【2】）

壓電紗線由24根纖維組成，每一根纖維都像一縷頭髮那樣細。 當纖維變得足夠潮濕時，會在液體中變得封閉，且紗線會變得更加高效，因為這樣改善了纖維之間的電氣接觸。 這項技術是基於之前研究人員開發壓電纖維的研究，現在他們進一步增加了尺寸。

（圖片來源：參考資料【2】）

Lund 表示：“壓電纖維由圍繞著導電內核的壓電外殼組成。這種壓電紗線與商用的導電紗線結合組成一個串聯電路。” 在進行生產時，纖維暴露於強電場中，引起聚合物中的正負電荷以一種有序地方式分離。 當織物被拉伸或者暴露於壓力下時，纖維的形變將引起電荷分佈的重組，從而產生電壓。 導電紗線形成 電流可以在其中流動的閉合電路。

（圖片來源：參考資料【2】）

研究人員之前對於壓電織物的研究主要集中於傳感器以及它們通過壓力敏感性產生電信號的能力。

價值

Lund 表示：“由壓電紗線編織成的織物，使得這項技術更加容易理解，而且它可用於日常生活中。織物中也有可能添加更多的材料，或者使用它作為多層產品中的一 層。這需要一些修改，但是是可行的。”

研究人員認為，這項技術從根本上說已經可用於大規模量產。 現在主要是工業產品開發者要搞清楚如何利用這項技術。 除了構成材料的先進技術外，成本相對較低，與Gore-Tex 的價格差不多。 通過與 瑞典紡織學院 的合作，研究人員已經能過證明，紗線可以在工業織機中編織，並且有足夠的耐磨性去應對量產的嚴苛條件。

關鍵字

壓電效應 、 發電 、 織物

參考資料

【1】 https://www.chalmers.se/en/departments/chem/news/Pages/Electric-textile.aspx

【2】 Anja Lund, Karin Rundqvist, Erik Nilsson, Liyang Yu, Bengt Hagström, Christian Müller. Energy harvesting textiles for a rainy day: woven piezoelectrics based on melt-spun PVDF microfibres with a conducting core . npj Flexible Electronics , 2018; 2 (1) DOI: 10.1038/s41528-018-0022-4

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