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金山人語/手指汗的神奇能量

手指會出汗,似乎沒見過像身體別處的汗如雨下,但專家告訴我們手指是身體最會出汗的部位之一,有成千的汗腺,出的汗多過身體其他部位汗量的千百倍,我們不覺得是因為手指暴露在外,很快就蒸發了。那手汗有什麼能量?汗內的乳酸鹽可以用來驅動電池,手指就成了帶著走的生物燃料電池,這當然還需要一點加工,是由UC San Diego的奈米工程學者們加的工。

這個電池約1cm見方,薄薄的一層纏到指尖,接觸到手指先是PVA,然後是膠狀碳泡沫,吸收指尖的汗水,再用酵素啟動汗水中的乳酸鹽與氧分子的化學反應,氧變成了水,乳酸鹽變成丙酮酸,排除了的電子被引到一個電路,正極含乳酸氧化酵素、負極為鉑片,產生電流。在電極下面附帶的可以裝置壓電材料晶片,藉壓力製造更多電能,手指不動靠出汗,手指觸動靠壓電,都能製造電能,然後儲存在一個小電容器,供需要的時候放電。

且不管化學反應,手指的汗能製造多少能源?研究人員實驗,10小時睡眠可以收集400 mil-joules的能量,足夠電子表運轉24小時。一小時的輕鬆打字與使用滑鼠,可以製造30 mil-joules。與我們熟知的能源來比,例如1度 (1 KW/hour) 等於360萬joules,手指的「功力」似乎小了一些,但主持研究的Joseph Wang教授說,汗是自然流出,不必任何勞力的淨收益,這是最大的能源投資報酬。(1 joule = 1 W/second,mil 為千分之一)

穿戴電子越來越多,也多為小型需用能源也不多,手指就發揮作用,研究人員把一個化學反應數位顯示器連接上這個電池,每十秒鐘敲擊十次,或戴在指尖上,都可製造足夠的能量驅動反應與顯示。更有趣的是研究人員自己研發一個維他命 C 測量器,讓一名受測的人吃一粒維他命C,再手指尖輕摸集汗器,小顯示器就顯出體內維他命C的劑量。另一研究人員研發鹽度測試器,也用這個小電池的能源檢測水溶液的含鹽量。

這個手汗小電池的材料很軟,用類似膠紙的帶子纏到手指尖,不太會覺得不便,Wang教授認為可以經常戴著,無論在工作、日常生活、乃至遊戲,凡用手指摸觸,就會自然儲存能量,甚至可以忘記其存在。而研究人員下一步的工作是與穿戴更緊密的連接,像是手套,以及與無線網路電器的連接。除了更有效與更持久,與別的自主能源結合,創造新一代的自主能源穿戴系統,給UCSD研究人員帶來更大的發展潛力。

電子技術的進展把電器縮小到可以穿戴,手表、健康追蹤器、AR眼鏡等形形色色電子裝置,疫情其間快速增加,據IDC的統計,2021年第一季就銷售了一億件,而第二季的銷售也比2020年第二季增加了34.4%(蘋果、三星、小米、華為、BoAt合占60%)。這許多穿戴電器莫不需要連續的有效能源,傳統的都是用電池、以及超電容器,但都有使用持久的限制,所以很多裝置朝向節省手能源發展,當然更理想是有自主能源,而且能有足夠的能量傳送資料。

自主的能源,或說自給自足的能源,我們知道的有很多種,像太陽能、身體活動、生物燃料、溫度梯度,雖然都能製造能源,但各有限制。太陽不會永遠照射,利用溫差產生電壓的熱電效應,需要穿戴電器的人與環境要有溫差,而利用身體活動製造能源,多需要劇烈的活動才能取得所要的能量。多年前更有學者試將壓電晶體印刷到軟性物質,藉壓力發電,放到鞋裡靠走路充電手機,也構想植入體內,靠動作發電,這當然是不動就不來電。

這些新舊的自主能源,最後都落在一個點上,就是Wang教授說的能源投資報酬EROI (Energy Return on Investment),我們收穫能源,要看先投入多少能量,比例是否為我們所接受,以體力活動製造能源為例,不希望費大力氣僅產生少量能源,最理想是從身體被動而經常的輸入,所採集到的能量。手指汗產生的能源雖小,卻有最大的投資報酬,這恐怕是讓UCSD的學者們信心十足的最大「能源」了。

Wang 教授說,畢竟我們還有十隻手指。

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