类似于Lego可重构，自修复，可回收的高性能可穿戴热电发电机热电发电机（TEG）具有直接将热量转化为电能的能力，因此是为可穿戴电子设备和"物联网"供电的绝佳选择。
本文报告了第一个具有出色的可拉伸性和热电性能的可自我修复和可回收的TEG系统。
柔性TEG中的开路电压达到了创纪录的高水平，达到1 V / cm 2温度差为95K。
此外，该TEG系统具有类似Lego的可重构性，允许用户根据热和机械条件定制能量收集设备。
这些特性是通过"软母板刚性插件模块"（SOM-RIP）的新颖机械结构设计，集成了高性能模块化热电芯片，动态共价热固性聚亚胺作为基材和封装，以及可流动液态金属作为电气线路来实现的。
最后，将波长选择性超材料膜引入到TEG的冷侧，以增强太阳辐射下的热电性能，这对于户外活动期间的可穿戴能量收集至关重要。
作为戒指环的热电发电机。
哈工大和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种新型的低成本可穿戴设备，该设备可将人体转化为生物电池。
今天在《Science Advances》杂志上描述的该设备具有足够的伸缩性，您可以像戒指，手镯或任何其他接触您的皮肤的附件一样佩戴它。
它还利用人的自然热量-利用热电发电机将人体的内部温度转换为电能。
"未来，我们希望能够在不包括电池的情况下为您的可穿戴电子设备供电"，新论文的资深作者，CU Boulder的Paul M. Rady机械工程系副教授Jianjian Xiao表示。
这个概念听起来像是《黑客帝国》电影系列中的某种东西，在该系列电影中，一群机器人奴役了人类以收获其宝贵的有机能量。
肖和他的同事们并不那么雄心勃勃：他们的设备可以为每平方厘米的皮肤空间产生约1伏的能量，这比大多数现有电池所提供的单位面积电压要低，但仍足以为手表或健身追踪器等电子设备供电。
科学家此前曾尝试过类似的热电可穿戴设备，但肖氏具有可伸缩性，可以在受损时自愈，并且可以完全回收利用，从而使其成为传统电子产品的更清洁替代品。
肖说："每当您使用电池时，就会耗尽该电池，最终将需要更换它。
" "我们的热电设备的好处是您可以佩戴它，并为您提供恒定的功率。
"器件设计与制造TEG由模块化的热电芯片，液态金属作为电气布线，动态共价热固性聚亚胺作为液态金属布线的基板和封装（图A）组成。
聚亚胺可以通过交联三种市售化合物，对苯二甲醛，3,3'-二氨基来合成Ñ -methyldipropylamine，和三（2-氨基乙基）胺。
为了制造热电芯片，我们使用热蒸发器在聚酰亚胺膜上沉积了Bi和Sb硫族化物薄膜，分别用作n型腿和p型腿。
n型支脚和p型支脚的尺寸通过功率转换效率优化过程确定。
为了提高结晶度和性能，我们然后在氩气气氛中在320°C下处理了热电薄膜26分钟。
然后，使用热蒸发器沉积Au-Ge电极，以在n型引脚和p型引脚之间形成连接，从而完成了热电芯片的制造。
图A中示意性地描述了将模块化热电芯片组装成TEG的过程。
首先用激光切割聚亚胺基片以形成槽（图S3B），然后丝网印刷图案化的液态金属电线。
然后，将模块式热电芯片插入聚亚胺基片的缝隙中，并施加少量聚亚胺溶液[对苯二甲醛+ 3,3'-二氨基-N-甲基二丙胺+甲醇中的三（2-氨基乙基）胺]将热电芯片与基板结合在一起并封装液态金属布线。
图A的插图显示了设备设计的分解图，图B显示了已组装的TEG设备的光学图像。
详细的制造过程可以在补充材料中找到。
图 TEG的设计和制造。
（A）设计，制造过程和关键特性的示意图，包括自愈性，可回收性和类似Lego的可重构性。
TEG处于平坦状态（B），弯曲（C），伸展（D）并戴在手指上（E）时的光学图像。
穿戴式TEG和机械性能这种TEG具有出色的机械柔韧性，因此可以戴在人体上进行能量收集。
图A显示了在室温为25°C的情况下连接在前臂上的TEG，插图显示了整个设备上温度分布的红外测量结果。
图B显示该TEG器件可产生45和83 nW / cm 2的平均功率输出密度，以及25和33 mV / cm 2的平均输出电压。
佩戴者分别坐着和走路时。
对于典型的运动腕带（6厘米乘25厘米）的表面积，佩戴者行走时可以产生12.5μW的功率输出和5 V的电压输出，足以直接驱动大多数低功耗传感器与射频通信的节点。
图3 TEG的可穿戴能量收集和机械性能。
（A）附着在手臂上的TEG的光学和红外（插图）图像。
（B）当佩戴者坐着和走路时，在人体皮肤上具有112个热电腿的TEG的发电（P out）和输出电压（V load）。
冷的一面是自然对流。
当将TEG弯曲到3.5 mm（C）的半径并拉伸120％（D）时，有限元方法（FEM）模拟了TEG和TE腿（插图）中的应变分布轮廓。
（E）在1000个弯曲周期内的相对电阻变化和发电稳定性。
插图显示了TEG平坦且弯曲时的光学图像。
弯曲半径r= 3.5 mm，R 0是原始电阻，ΔR是电阻变化。
（F）相对电阻变化和发电量与拉伸比的关系（ΔL / L 0）。
对于（E）和（F）中的输出功率（P out）测量，热侧温度保持在41°C，冷侧保持自然对流，室温大约为26°C。
（F）中的插图显示了拉伸测试过程中TEG的光学图像，该图像与发光二极管（LED）和4-V DC电源串联以进行视觉演示。
自我修复，回收和类似Lego的重新配置在该TEG中，在聚亚胺网络内的液态金属布线的流动性和键交换反应为装置提供了出色的自修复能力。
图A示意性地示出了自修复过程和机制。
在将液态金属布线和聚亚胺基体切割成断裂状后（图A），可以使断裂的界面重新接触。
液态金属布线由于其类似流体的行为而立即恢复了导电性。
键交换反应促进在界面处产生新的共价键，从而导致愈合的TEG设备具有机械强度和电功能性（图A）。
图B使用带有两个热电模块的TEG设备演示了此过程。
当液态金属布线和聚亚胺基板被割断时，LED熄灭。
将接口重新接触可以立即修复液态金属布线中的电导率，并且LED再次亮起。
在室温下修复1.5小时后，在界面处产生了足够的共价键，从而导致了机械坚固的自修复TEG，该TEG可以弯曲而不会影响功率输出（图B）。
图中的光学显微镜图像。
显示出随着时间的推移聚亚胺切割的愈合过程。
自修复的TEG表现出与原始设备相当的可拉伸性，因为它可以拉伸120％，而不会影响电阻（图C）。
图4： 自我修复，回收和类似Lego的重新配置。
（一）自我修复机制的示意图。
（B）在自愈测试中TEG的光学图像。
原始的TEG灵活，并与LED和4-V DC电源串联（左）。
当液态金属电线和聚亚胺基板均被切断时，LED熄灭（顶部中间）。
当折断部位的两个表面接触时，液态金属电线会立即愈合，从而导致LED亮起（底部中间）。
1.5小时后，聚亚胺底物完全愈合并恢复机械强度（右）。
（C）相对电阻变化（ΔR / R 0自我修复的TEG与拉伸比的关系）。
插图显示了拉伸试验过程中自我修复的TEG的光学图像。
（D）在不同的回收步骤中TEG的光学图像。
新的TEG与LED和4 V DC电源串联（左下）。
（E）旧TEG和回收的新TEG之间的发电比较。
（F）将两个单独的TEG（设备I和II）组装成新的功能性TEG（设备III）的类似乐高的配置。
新的TEG（设备III）与LED和4V DC电源串联（右）。
（G）TEG I，II和III之间的发电比较。
由于结合了动态共价热固性聚亚胺和液态金属布线的SOM-RIP结构，该TEG设备不仅可自我修复和回收，而且具有乐高式可重构性。
图F演示了将两个单独的TEG设备（设备I和II）重新配置为新的TEG设备（设备III）的过程。
类似于Lego的重新配置过程始于切断设备I和II的一个端子以暴露液态金属布线（图F，左），然后使两个TEG的暴露端子物理接触。
然后，施加并固化少量的聚亚胺溶液[对苯二甲醛+ 3,3'-二氨基-N在两个TEG的连接处[-甲基二丙胺+甲醇中的三（2-氨基乙基）胺]完全愈合了界面（图F，中部）。
新的TEG功能齐全（图F，右）。
在图2中详细示意性地示出了该过程。
如图G所示，设备III的功率输出等于设备I和II的总和，表明类似Lego的重新配置过程是有效的，而不会降低性能。
请注意，在此重新配置过程中，不必应用聚亚胺溶液，但是需要更多的时间在接头界面上生成足够的共价键。
类似于Lego的重新配置功能，用户可以根据特定的热条件和热电芯片的输出，使用串联或并联的模块针对目标尺寸，结构，输出电压和功率来自定义TEG。
类似于Lego的可重构TEG也可以集成到基于类似自修复衬底的传感器系统中，以形成自供电的自主传感器系统。
用超材料膜增强TEG的户外性能太阳辐射，环境辐射和非辐射热交换会影响户外活动期间可穿戴式TEG的性能（图A）。
图B显示了TEG表面（裸表面）的与波长有关的发射率/吸收率。
TEG裸露的表面在太阳光谱（0.3至2.5μm）中具有很强的吸收能力（> 0.87），表明该表面可以被太阳辐射加热，从而显着限制了其散热。
为了增强户外TEG的性能，关键是将冷侧表面修改为具有波长选择性，以更有效地散热。
该表面必须具有两个特征：（i）太阳光谱中的低吸收率和（ii）红外范围内的高发射率，尤其是在大气透射窗（8至13μm）中，这允许冷侧向其发射红外辐射。
通过大气层的宇宙，即辐射性天空冷却。
因此，选择可以提供两种特性的玻璃-聚合物杂化超材料膜，并将其用作TEG冷侧表面的覆盖物（图A），从而产生有效的波长选择表面。
如图B所示，测得的波长选择性表面的与波长相关的发射率/吸收率显示出比太阳光谱中的裸露表面（0.3至2.5μm）低得多的吸收率，而在大气透射窗口中则具有可比的发射率（8至2.5μm）。
13微米）。
超材料的详细设计和制造可以在我们先前的工作中找到。
图 使用波长选择超材料薄膜增强的户外性能。
（A）白天和黑夜时，具有裸露表面（顶部）和波长选择表面（底部）的TEG的传热过程示意图。
P solar和P atm分别是表面上的太阳辐射功率和大气辐射功率，P rad是来自表面的热辐射功率，P nonrad是表面与周围环境之间的非辐射热传递（对流和传导）。
（B）从300 nm到25μm的裸露表面和波长选择表面的吸收率/发射率。
大气（灰色块）的吸收率/发射率和光谱太阳辐照度的功率密度[黄色块；空气质量（AM），1.5]也包括在内。
裸露表面和波长选择表面都具有8至13μm（大气透射窗口）之间的强发射，这表明其具有出色的辐射冷却性能。
裸露的表面在完整的太阳光谱（> 0.87）和其他红外波段（> 0.96）下具有很强的吸收性，而波长选择性表面在太阳光谱中的吸收比在红外波段中的吸收弱得多。
（C）气象站在13:00至18:00测量的太阳辐照度，室外温度和风速。
从13:00到18:00在冷侧具有裸露表面和波长选择表面的TEG的总表面热交换（D），输出电压（E）和发电（F）。
高科技金光闪闪该项目并不是肖小平首次尝试将机器人与人类融合。
他和他的同事先前曾尝试设计"电子皮肤"，这种可穿戴设备看起来和行为类似于真实的人类皮肤。
但是，该Android表皮必须连接到外部电源才能工作。
该小组的最新创新始于一种由弹性材料称为聚亚胺的基材。
然后，科学家将一系列细的热电芯片粘贴到该基座中，并将它们全部与液态金属线连接起来。
最终产品看起来像是塑料手镯和微型计算机母板或高科技钻石戒指之间的十字架。
肖说："我们的设计使整个系统具有可拉伸性，而不会给热电材料带来太大的应变，而应变真的很脆。
"只是假装你要慢跑。
锻炼时，身体会发热，这些热量会散发到周围的凉爽空气中。
Xiao的设备可以捕获能量流，而不是浪费能量。
他说："热电发生器与人体紧密接触，它们可以利用通常会散发到环境中的热量。
"乐高积木他补充说，您可以通过添加更多的发电机块来轻松提高功率。
从这个意义上讲，他将自己的设计与流行的儿童玩具进行了比较。
他说："我所能做的就是将这些较小的单元结合起来，以获得更大的单元。
" "这就像将一堆小乐高积木拼成一个大型结构。
它为您提供了很多定制选项。
"肖和他的同事计算出，例如，一个人轻快地散步可以使用一个典型的运动腕带大小的设备来产生大约5伏特的电压，这比许多手表电池所能消耗的还要多。
就像肖的电子皮肤一样，这些新设备与生物组织一样有弹性。
例如，如果您的设备撕裂，您可以将折断的末端捏在一起，然后在短短几分钟内将其密封起来。
使用完该设备后，您可以将其灌入一种特殊的解决方案中，该解决方案将分离出电子元件并溶解聚亚胺基料-然后可以重复使用每种成分。
肖说："我们正在努力使我们的设备尽可能便宜和可靠，同时也对环境造成尽可能接近零的影响。
"尽管在设计中仍有一些缺点需要解决，但他认为，该小组的设备可能会在五到十年内出现在市场上。
只是不要告诉机器人。
我们不希望他们有任何想法。
