能量採集是非常具吸引力的能源選項,因為它一開始看來可承諾永無休止的「不勞而獲」。在某些使用案例中,它確實可這樣的承諾,也被成功應用在例如以振動發電的橋樑監測感測器等裝置上。但在其他案例中,能量採集的價格/優勢比就不那麼吸引人了(雖然話題性還是很夠);因為並非零成本,優勢也微不足道:想想看內部嵌入了零組件、能將「步伐能量」轉換成電力的鞋子,或是安裝了再生煞車(regenerative brakes)的自行車,不僅重量與成本增加,其實產生的回收能量非常少。

不過某個應用領域或許會是能量採集技術真正能發揮優勢的──為植入式醫療裝置供電,而且已有研究人員看好包括心律調節器(pacemaker)等放在人體內的裝置。目前大多數心律調節器是使用不能充電、壽命約5~10年的電池,在電量耗盡後需要以手術方式更換。在此特別說明,有一些替代方案是採用可充電的二次電池,而且可以透過非接觸式無線充電;這是可行且被優先考量的替代方案,但是在大量推廣上仍有一些醫療與技術方面的障礙。

美國達特茅斯學院旗下賽爾工程學院(Thayer School of Engineering at Dartmouth College)的一個研究團隊,與隸屬美國德州大學(University of Texas)的聖安東尼奧醫學中心(UT Health San Antonio)合作,開發了一種為植入式醫療裝置打造以壓電為基礎之能量採集換能器的新方法,結合了薄膜能量轉換材料以及微創心律調節器機構設計;其研究成果詳見題為「實現小巧能量採集方案的心律調節器導線上軟性多孔壓電懸臂」(Flexible Porous Piezoelectric Cantilever on a Pacemaker Lead for Compact Energy Harvesting)之論文。他們是利用連結至跳動心臟的導線產生的動能,將之轉換為電力來為電池連續充電。

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(A)多孔壓電能量採集器的架構;(B)軟性多孔PVDF-TrFE薄膜;(C)薄膜橫切面的掃描電子顯微鏡影像
(來源:Thayer School of Engineering, Dartmouth College)

該發電材料是一種名為「聚偏二氟乙烯-三氟乙烯」(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene,PVDF-TrFE)的聚合物壓電薄膜;研究團隊建立了一個基本的雙懸臂(dual-cantilever)結構,纏繞心律調節器的導線,並利用機械震動器模擬心肌運動以及心律調節器導線的相對應變形,完成了初始測試。該裝置最大輸出為0.5V/43nA/1Hz,略高於20nW,研究人員能透過在懸臂尖端添加一個31.6毫克(mg)的小型「質量塊」(proof),將功率輸出提升80%左右。

添加上去的質量能讓懸臂有較大的彎曲,讓能量採集器產生較大的電力輸出;此外也可以並聯多個能量採集器以產生更大的輸出電流。研究人員指出,現在的超低功耗植入式生醫裝置需要約0.3μW的電力以進行心臟活動感測,心律調節器的功耗約10~100μW;而植入式人工耳蝸(cochlear implants)的耗電量則為100~2,000μW,神經記錄裝置的耗電量則為1~10 mW。

能量採集或許並非是某人說過的低成本或是零成本能源方案,但在某些優先應用以及限制條件下,會是正確的方案。而為植入式醫療裝置供電會證明是其中之一,其挑戰會被可帶來的優勢所抵銷。除了這類應用,你是否在其他商用產品上利用過能量採集呢?無論結果是好還是壞,你曾有過最難忘的相關經驗教訓是什麼?歡迎與我們分享!

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Energy harvesting gets really personal,by Bill Schweber)