想象一下物聯(lián)網(wǎng)由身體熱量驅(qū)動的世界

Matrix Industries的新型熱電發(fā)電機已經(jīng)可以為智能手表提供動力?，F(xiàn)在該公司希望采用更多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。如果那里的所有物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備都可以使用來自使用它們的人的體溫來為自己提供電力怎么辦?能量收集通常被討論為為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的創(chuàng)新解決方案。該想法是從周圍環(huán)境的設(shè)備(例如佩戴智能手表的人的體溫)產(chǎn)生電力。然而，人體與其周圍環(huán)境之間產(chǎn)生的小溫差產(chǎn)生的電壓非常小，這一事實構(gòu)成了真正的挑戰(zhàn)。

總部位于加利福尼亞州門羅克斯工業(yè)公司的Menlo Park正在直接解決這一挑戰(zhàn)。該公司自2011年以來一直生產(chǎn)熱電發(fā)電機(TEG)，最近開發(fā)出一種新型電路，能夠在溫度差小于1K(大約-458華氏度)時收集能量。

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TEG是半導(dǎo)體器件，可以根據(jù)Peltier或Seeback效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。雖然TEG本身并不是一個新概念，但Matrix開發(fā)了一種具有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的TEG，可以在低于10 mV的電壓水平下實現(xiàn)能量傳輸 - 以前認(rèn)為這些電平太低而無法被認(rèn)為是有用的。該電路允許在非常小的溫差下產(chǎn)生熱電。

最新突破的榮譽歸功于奧地利博士生Harald Dillersberger，此后他作為首席電子設(shè)計工程師加入公司，并將在即將舉行的2019年波士頓嵌入式系統(tǒng)大會(ESC)上發(fā)表講話。

那么這些TEG產(chǎn)生的功率有多大?Matrix CTO和聯(lián)合創(chuàng)始人Douglas Tham告訴“設(shè)計新聞”說：“使用低電阻模塊，你可以得到幾十微瓦。”聽起來不是很多，但有很多應(yīng)用只需要那么多例如，模擬手表只消耗幾微瓦。物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)牙信標(biāo)現(xiàn)在降至10-20微瓦左右。即使是監(jiān)控農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，每隔幾個小時也只能傳輸一次，你可以真正切割大幅降低功耗。“

捕獲和利用這種低電壓水平的能力是堅實的工程和創(chuàng)新相結(jié)合的結(jié)果。Tham指出，理想的熱電材料既可以是良好的導(dǎo)電材料，也可以是導(dǎo)熱性差的導(dǎo)熱材料。據(jù)該公司稱，Matrix公司專有的熱電材料Gemini將銅等材料的導(dǎo)電性與玻璃纖維的絕緣性相結(jié)合，效率比傳統(tǒng)熱電材料高30%。

雙子座利用“納米孔”，一種“大塊納米結(jié)構(gòu)材料”的方式，以適當(dāng)?shù)姆绞讲迦霐?shù)十億個孔，以“減慢熱量流動而不阻礙電流，”Tham解釋說。

Matrix將材料排列成可以打開和關(guān)閉的納米結(jié)構(gòu)或“塊”。這是研究人員長期以來一直努力做的事情，并且在啟動電壓和效率方面都具有優(yōu)勢。這就是Tham所說的Matrix's TEG的“特殊醬”。“當(dāng)你不需要阻擋時，你不希望阻擋它們。本發(fā)明是你如何關(guān)閉這個塊，“Tham說。

只需將配備此功能的TEG模塊放在手腕上即可產(chǎn)生足夠的電力為智能手表供電。意識到這個機會，Matrix推出了一項成功的Indiegogo活動，推出了Matrix PowerWatch，這是一款完全由體熱驅(qū)動的智能手表。

為了使PowerWatch成為可能，Dillersberger早期原型所展示的功能必須小型化并且能夠在非常低的電壓下工作，這是現(xiàn)成組件無法做到的。這就是與Cactus Semiconductor(現(xiàn)在是Cirtec Medical的一部分)合作的地方。

Cactus是一家低功耗混合信號專用集成電路(ASIC)供應(yīng)商，能夠?qū)⑺须娐泛碗娫垂芾砉δ?變壓器除外)整合到一個微小的定制芯片中。據(jù)Cactus稱，該芯片可用作能量收集接口，幾乎不需要任何電源。

雖然PowerWatch是Matrix的成功副業(yè)，但主要關(guān)注的是更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，許多傳感器和發(fā)射器都將受益于自發(fā)電的能力。

同時，Matrix認(rèn)識到這些設(shè)備可能在溫度差異不可靠的地方需要電源。作為解決這一問題的一個例子，即將推出的Powerwatch 2將通過增加一個太陽能電池來整合和管理多個電源。“對于物聯(lián)網(wǎng)類型的設(shè)備來說，這對你來說是一個非常重要的設(shè)備，你現(xiàn)在是一個無處不在的傳感器節(jié)點，”Tham說。“如果你有熱量，使用熱量;如果你有光，使用光線;如果你有動作，使用動作。這樣你就有了一個可以肯定會在99%的情況下工作的設(shè)備。“

與此同時，圍繞對可持續(xù)能源需求的更大規(guī)模挑戰(zhàn)并未在Tham上失去。將熱電裝置用于能源回收和可再生能源以及地?zé)豳Y源是他們非常關(guān)注的事情。雖然現(xiàn)在討論還為時尚早，Tham表示Matrix正在研究模塊，“用于離網(wǎng)，小眾應(yīng)用”這需要能夠產(chǎn)生數(shù)百瓦的TEG。

RP Siegel，PE，擁有機械工程碩士學(xué)位，在施樂公司研發(fā)工作了20年。這位發(fā)明家擁有50項專利，現(xiàn)在是一名全職作家，RP在技術(shù)與社會的交叉領(lǐng)域找到了自己的主要興趣。他的作品出現(xiàn)在多個消費者和工業(yè)界，他還合著了生態(tài)驚悚片Vapor Trails。