可穿戴設(shè)備即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備。可穿戴設(shè)備不僅僅是一種硬件設(shè)備，更是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，可穿戴設(shè)備將會對我們的生活、感知帶來很大的轉(zhuǎn)變。

2012年因谷歌眼鏡的亮相，被稱作“智能可穿戴設(shè)備元年”。在智能手機(jī)的創(chuàng)新空間逐步收窄和市場增量接近飽和的情況下，智能可穿戴設(shè)備作為智能終端產(chǎn)業(yè)下一個熱點(diǎn)已被市場廣泛認(rèn)同。2013年，各路企業(yè)紛紛進(jìn)軍智能可穿戴設(shè)備研發(fā)，爭取在新一輪技術(shù)革命中分一杯羹。2022年12月2日，人工智能賦能的可穿戴設(shè)備入選“智瞻2023”論壇發(fā)布的十項焦點(diǎn)科技名單。

可穿戴設(shè)備多以具備部分計算功能、可連接手機(jī)及各類終端的便攜式配件形式存在，主流的產(chǎn)品形態(tài)包括以手腕為支撐的watch類(包括手表和腕帶等產(chǎn)品)，以腳為支撐的shoes類(包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產(chǎn)品)，以頭部為支撐的Glass類(包括眼鏡、頭盔、頭帶等)，以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產(chǎn)品形態(tài)。

步行不僅可以增強(qiáng)您自身的能量，還可以潛在地增強(qiáng)您的可穿戴電子設(shè)備的能量。大阪城市大學(xué)的科學(xué)家們在自充電可穿戴設(shè)備方面取得了重大進(jìn)展，他們發(fā)明了一種動態(tài)放大鏡增強(qiáng)型壓電振動能量收集器，該能量收集器可以將脈沖振動(例如人類行走)產(chǎn)生的能量放大約 90 倍，同時保持與目前開發(fā)的能量收集器一樣小。結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上。

如今，人們攜帶著多種電子設(shè)備，例如智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備預(yù)計在不久的將來會越來越普及。由此產(chǎn)生的對這些設(shè)備更高效充電的需求增加了人們對能量收集的關(guān)注，能量收集是一種將熱能和光能等能量轉(zhuǎn)化為可為小型設(shè)備供電的電能的技術(shù)。一種稱為振動能量收集的能量收集形式被認(rèn)為非常實(shí)用，因?yàn)樗梢詫⒄駝赢a(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，并且不受天氣或氣候的影響。

大阪都立大學(xué)工學(xué)研究科副教授 Takeshi Yoshimura 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 壓電振動能量收集器，其直徑僅約 2 厘米，帶有稱為動態(tài)放大鏡的 U 形金屬部件. 與傳統(tǒng)收割機(jī)相比，新型收割機(jī)可將人類步行運(yùn)動產(chǎn)生的脈沖振動轉(zhuǎn)換成的能量提高約 90 倍。

該團(tuán)隊一直致力于開發(fā)利用壓電效應(yīng)的振動能量收集器，壓電效應(yīng)是一種特定類型的材料響應(yīng)施加的壓力而產(chǎn)生電荷或電壓的現(xiàn)象。到目前為止，他們已經(jīng)成功地從恒定頻率的機(jī)械振動中產(chǎn)生微瓦級的電力，例如電機(jī)和洗衣機(jī)產(chǎn)生的振動。然而，當(dāng)施加的振動不穩(wěn)定且脈沖時，例如人類行走產(chǎn)生的振動，這些收割機(jī)的發(fā)電量會急劇下降。

振動能量收集器的最大輸出電壓發(fā)生在共振狀態(tài),因此其諧振頻率應(yīng)與環(huán)境振動頻率一致.針對振動能量收集器與環(huán)境頻率不匹配的問題,采用單自由度模型分析了懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動能量收集器諧振頻率等性能,加工并測試了壓電式的微型振動能量收集器樣機(jī),結(jié)果諧振頻率的誤差最大為6%.通過質(zhì)量調(diào)節(jié)方法進(jìn)一步將樣機(jī)的諧振頻率調(diào)節(jié)了10.5Hz的寬度.針對50Hz的振動環(huán)境,將諧振頻率為58.7Hz的樣機(jī)調(diào)節(jié)到了50.4Hz,輸出電壓提高了4倍.

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊開發(fā)并在收割機(jī)下方安裝了 U 形振動放大組件。該組件可以在不增加設(shè)備尺寸的情況下提高發(fā)電量。該技術(shù)有望通過非穩(wěn)態(tài)振動(包括步行運(yùn)動)產(chǎn)生電力，從而為智能手機(jī)和無線耳機(jī)等小型可穿戴設(shè)備供電。

吉村教授總結(jié)道，“由于電子設(shè)備有望變得更加節(jié)能，我們希望這項發(fā)明有助于實(shí)現(xiàn)自充電的可穿戴設(shè)備?！?