宾夕法尼亚州立大学工程科学与机械系Dorothy Quiggle职业发展教授程环宇(Huanyu“Larry”Cheng)领导的一个国际研究小组称，一种可以从人类呼吸和运动中收集能量的可伸缩系统可能会用于可穿戴健康监测设备。
该研究小组的成员来自宾夕法尼亚州立大学、闽江大学和南京大学，都在中国，他们最近在《纳米能源》杂志上发表了研究结果，宾夕法尼亚州立大学新闻报道。
程教授说，目前为可穿戴和可拉伸的健康监测和诊断设备供电的电池和超级电容器有许多缺点，包括能量密度低和拉伸性有限。
Cheng说:“这与我们之前的研究完全不同，但它是方程式的重要组成部分。”他指出，他的研究小组和合作者倾向于专注于开发可穿戴设备中的传感器。“在研究气体传感器和其他可穿戴设备时，我们总是需要将这些设备与电池结合起来供电。使用微型超级电容器使我们能够在不需要电池的情况下自行为传感器供电。”
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作为电池的替代品，微型超级电容器是一种能量存储设备，可以补充或取代可穿戴设备中的锂离子电池。微型超级电容器占地面积小，功率密度高，能够快速充放电。然而，根据Cheng的说法，当用于可穿戴设备时，传统的微型超级电容器具有“三明治状”堆叠几何形状，在与可穿戴电子设备结合时显示出较差的灵活性，较长的离子扩散距离和复杂的集成过程。
这促使Cheng和他的团队探索替代设备架构和集成过程，以推进微型超级电容器在可穿戴设备中的使用。他们发现，将微型超级电容器单元排成蛇形，岛桥布局允许结构在桥上伸展和弯曲，同时减少微型超级电容器-岛屿的变形。当组合在一起时，这种结构就变成了研究人员所说的“微型超级电容器阵列”。
Cheng说:“通过在连接电池时使用岛桥设计，微型超级电容器阵列显示出更高的可拉伸性，并允许可调电压输出。”“这使得系统可以可逆地拉伸到100%。”
通过使用非分层、超薄的锌磷纳米片和3D激光诱导的石墨烯泡沫(一种高度多孔、自热的纳米材料)来构建电池的岛桥设计，Cheng和他的团队看到了电导率和吸收带电离子数量的巨大改善。这证明了这些微型超级电容器阵列可以有效地充电和放电，并存储为可穿戴设备供电所需的能量。
研究人员还将该系统与摩擦电纳米发电机集成在一起，摩擦电纳米发电机是一种将机械运动转化为电能的新兴技术。这种组合创造了一个自供电系统。
Cheng说:“当我们有了这个基于摩擦纳米发电机的无线充电模块时，我们可以根据运动来收集能量，比如弯曲肘部或呼吸和说话。”“我们可以利用这些日常的人体动作给微型超级电容器充电。”
Cheng说，通过将这个集成系统与基于石墨烯的应变传感器相结合，由摩擦电纳米发电机充电的储能微型超级电容器阵列能够为传感器供电，这显示了该系统为可穿戴、可拉伸设备供电的潜力。
该项目的其他研究人员包括助理教授程增;彭志祥，研究助理;超星，副教授;陈华明，副教授;黄春蕾副教授、王军教授，均来自闽江学院;张炳文，闽江学院功能海洋传感材料福建省重点实验室助理教授;南京大学物理学教授唐少龙。
