1998 年，日本著名製表公司精工（SEIKO）曾發布過一款由體溫供電的石英表Seiko Thermic，做出了將熱電技術應用於手錶的一次較早嘗試——不過在一顆普通鈕扣電池就能支持石英表1-3 年續航的年代，這款產品即便令人眼前一亮，最終也並未獲得商業成功。

後來在2016 年，矽谷初創公司 Matrix Industries 針對智能手錶的續航問題，在眾籌網站Indiegogo 上發布了世界上第一款純熱電驅動的智能手錶 Powerwatch，引發不少關注。

事實上，將體溫發電與可穿戴設備相結合直至今天仍是一項創新之舉。

最近，一組哈工大研究人員就開發出了一種小型可穿戴設備，可將人體皮膚發出的熱量轉化為電能。

把設備戴在手腕上，可以實現為LED 燈供電。

2021 年4 月29 日，相關研究成果發表於《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜誌，題為A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一種基於Mg3Bi2 熱電模塊的可穿戴實時電源）。

柔性「體溫發電機」

先來了解一下何謂「熱電技術」。

在兩種金屬構成的迴路中，如果金屬結點處溫度不同，處在較溫暖區域的電子受熱移動至較冷的區域，該迴路就會產生一個電勢差（電壓），在連接它們的導線上產生電流。

簡而言之，這項技術就是利用熱電裝置的溫度差產生電壓。

由於電流較弱，熱電技術通常只能為能量需求不大的設備供電，而可穿戴設備基本部件的功耗一般在100nW（納瓦）到10mW（毫瓦）之間（如下圖所示），基於此，將這項技術應用於可穿戴設備和人體植入裝置將是絕佳的選擇。

在研究人員看來，「熱電發電機」（Thermoelectric generators，以下簡稱TEG）為可穿戴電子設備供能在未來將是一項很有前景的應用。

TEG 將是傳統電池的一個很好的替代，原因在於其獨特的特性，比如無工作流體、無運動部件、操作過程安靜、可靠、便攜等等。

正如研究人員所言：

TEG 可以收集體溫這樣的分散式低品質熱量，使之轉化為電能。

但值得關注的是，傳統的剛性TEG 難以兼容可穿戴產品，因此研究人員的目標便是設計一種柔性TEG（flexible TEG，即FTEG）。

實時為LED 燈供電

材料方面，研究人員設計的FTEG 包括p 型碲化銻（Sb2Te3）和n 型鉍化鎂（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基體和柔性印刷電路板（FPCB）電極。

n 型Mg3Bi2 基材料被學術界認為是近室溫應用的優質材料。另外據《中國科學報》報導：

市面上的TEG 在很大程度上依賴於稀有金屬碲，而新設計用鎂基材料部分取代了碲基材料，這可以降低大規模生產的成本。

下圖展示的是材料的電阻率（ρ）、塞貝克係數（S，即半導體材料的溫差電動熱）、功率因數（PF ）、熱導率（κ）和ZT（品質因數）值。

具體製造過程則是：

將FPCB 電極粘貼在陶瓷基板上；

用激光標記去除多餘的PI 膜（聚酰亞胺薄膜）；

把n 型和p 型熱電支腿交替佈置在基板上；

將熱電模塊剝離基板，用PU 填充。

最終數據表明，這款FTEG 設備具有較低的熱旁路和高效的熱接觸面，在環境溫度為16 攝氏度（氣流速度1.1 m/s）時將設備放在手臂上，峰值功率密度約為20.6 μW/cm2；在溫差-223.15 攝氏度時，峰值功率密度為13.8 mW/cm2。

不僅如此，該設備在13.4 mm 的彎曲半徑下承受10000 次彎曲循環後無顯著變化（小於1.4%）。

研究人員將尺寸為28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的FTEG 設備放置在手臂上，成功點亮了LED（發光二極管）燈——這表明該FTEG 設備具有為可穿戴設備提供實時電源的潛力。

關於作者

論文顯示，研究團隊來自哈爾濱工業大學物理學院、微納光電信息系統理論與技術重點實驗室、材料科學與工程學院材料基因組與大數據研究所柔性印刷電子技術中心、先進焊接與連接國家重點實驗室。

論文通訊作者為哈工大（深圳）材料科學與工程學院教授張倩。

【圖源哈工大（深圳）官網】

公開信息顯示，張倩教授課題組研究方向為熱電半導體能源材料，包括熱電材料合成、電聲輸運調控、熱電器件相關研究等。

張倩教授2009 年於浙江大學材料科學與工程學院獲博士學位，2009-2015 年先後於新加坡國立大學化學系、波士頓學院物理系、休斯頓大學物理係從事博士後研究工作，在國際知名刊物上發表SCI論文70 餘篇，第一作者/通訊作者論文40 餘篇，4 篇論文入選ESI 高被引論文。