沈陸垚　周劍濤

摘 要：本著節(jié)能的理念，創(chuàng)造性地提出了基于人體的可轉(zhuǎn)換人體生物能和太陽能的新型手表。運用模塊化的設(shè)計理念，使用安裝在手表底盤和表帶上的傳感器實時監(jiān)測使用者的各項生命體征，實現(xiàn)了手表的多功能開發(fā)，完成了使用者與手表的新型“人機(jī)交互”。

關(guān)鍵詞：手表；傳感器；太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)；人體生物能

中圖分類號：TH714.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.028

1 原理與方案介紹

1.1 方案設(shè)想與理念

本方案基于進(jìn)一步研究和開發(fā)人體生物能潛在的拓展運用，充分運用傳感器和太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，借助人體生物能和太陽能實現(xiàn)手表的正常功能，并將模塊化的設(shè)計理念融入節(jié)能手表的設(shè)計中，使每個模塊在結(jié)構(gòu)上相互獨立、在功能上相互聯(lián)系，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 模塊介紹

1.2.1 傳感器模塊

本方案采用的是MEMS傳感器與光纖光柵傳感器相結(jié)合的傳感器監(jiān)測技術(shù)。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器，光纖布拉格光柵傳感器是以波長調(diào)制為傳感信號，可以實時監(jiān)測生命體征系統(tǒng)。

根據(jù)上述2種傳感器的特點，我們在手表底盤上安裝了光纖光柵傳感器，可以監(jiān)測使用者的體溫，在表帶處安裝了MEMS傳感器，可以監(jiān)測使用者的心率和脈搏，從而對使用者進(jìn)行生命體征的實時監(jiān)測，大大提高了安全性和可靠性。

1.2.2 太陽能轉(zhuǎn)換模塊

本方案采用CIGS太陽能薄膜電池，其優(yōu)勢有3個：①對可見光的吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1量級；②穩(wěn)定性好；③較高的光電轉(zhuǎn)化效率。本方案將CIGS薄膜電池安裝在手表的四周，并與手表內(nèi)部的電能存儲裝置連接。當(dāng)陽光照射到薄膜電池上時，電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并通過專用導(dǎo)線將電能送進(jìn)存儲裝置，供手表的表針擺動和傳感器工作使用。

1.2.3 生物能轉(zhuǎn)換模塊

在表帶與表盤的連接處增加了微型發(fā)電裝置，用于收集脈搏或手腕抖動所蘊含的生物能，并將其轉(zhuǎn)換成電能。這類裝置類似于手搖發(fā)電機(jī)，通過振動使線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流，并通過專門的導(dǎo)線將電能送進(jìn)手表內(nèi)部的電能存儲裝置。這部分能量雖然在單位時間內(nèi)非常微弱，但其每時每刻都會產(chǎn)生，日積月累下來也是不少的能量。

鑒于節(jié)能手表各項功能的完美實現(xiàn)，此款手表需要采用橡膠制成的可伸縮表帶，這有利于各項信息和微弱機(jī)械能的收集。

1.2.4 電能存儲模塊

本文在手表內(nèi)部設(shè)有電能的存儲裝置，類似于電池，與表盤兩端的微型發(fā)電裝置、四周的太陽能電池相相連，以便于將轉(zhuǎn)化而成的電能傳輸?shù)酱鎯ρb置中，相當(dāng)于為電池充電。裝置周圍還有導(dǎo)線連接傳感器和表針，以便于傳感器和表針使用存儲裝置中的電能，相當(dāng)于電池的放電過程。由此可見，該電能存儲裝置就相當(dāng)于控制電量存和放的中樞系統(tǒng)。

1.3 工作流程簡介

本方案采用模塊化的工作方式：布置在手表底盤的光纖光柵傳感器和布置在表帶的MEMS傳感器對使用者的身體狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，安裝在手表四周的CIGS太陽能薄膜電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，表帶與表盤連接的區(qū)域通過微型發(fā)電裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，從而實現(xiàn)手表功能的實現(xiàn)。

本方案在手表四周覆蓋了CIGS太陽能薄膜電池，在吸收太陽光后，能激活光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并連通電路，從而產(chǎn)生電能，通過專用導(dǎo)線將電流傳輸?shù)诫娔艽鎯ρb置中。通過橡膠制成的緊貼在伸縮表帶，可以收集人體脈搏的輕微振動，并將振動傳遞到表帶和表盤連接處的微型發(fā)電裝置；通過使發(fā)電裝置中的線圈在磁場中運動產(chǎn)生電流，并將產(chǎn)生的電流通過專用的導(dǎo)線傳遞到電能存儲裝置中。當(dāng)手腕抖動時，只要能使表帶振動，便能通過發(fā)電裝置產(chǎn)生電流并存儲起來。

2 工作原理

2.1 太陽能發(fā)電的原理

本方案中的太陽能電池是運用一種特殊的印花機(jī)將納米級的氧化鈦打印在模板上，并將模板浸泡在有機(jī)涂料中24 h，當(dāng)涂料附著在氧化鈦上后，就制成了太陽能電池。這種太陽能發(fā)電涂料的成本很低，可大批量生產(chǎn)。

2.2 微型發(fā)電機(jī)的原理

本方案主要采用電活性聚合物微星發(fā)電機(jī)。電活性聚合物屬于大變形超彈性材料，是一種智能材料。這種聚合物材料的應(yīng)變能力很強，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆律牧现?。電活性聚合物在直流電的作用下會產(chǎn)生大幅度的應(yīng)變，沿電力線的方向收縮，沿垂直于電力線的方向膨脹，電容發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致活性聚合物兩端的電壓和儲存的電能急劇提高。

2.3 傳感器的監(jiān)測原理

本方案采用MEMS傳感器，其具有體積小、重量輕、成本低、功耗低的特點，適合于批量生產(chǎn)，易于實現(xiàn)智能化。

MEMS已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用廣泛的運動、加速度、傾斜度和振動傳感器。MEMS的核心結(jié)構(gòu)是完全由硅制成的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括能夠移動的質(zhì)量塊、彈簧、腔室、阻尼器等。

2.4 電能存儲原理

考慮到成本與效率，本方案主要采用電磁儲能。電磁儲能是一種將能量保存在電場、磁場或交變電磁場內(nèi)的儲能技術(shù)，可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時、大容量能量交換和功率補償。

3 應(yīng)用前景

本方案具有以下優(yōu)點：①摒棄了手表傳統(tǒng)的電池驅(qū)動，嘗試將太陽能和生物能轉(zhuǎn)化為電能供手表工作，從而做到真正的“無碳手表”；②用緊貼手腕的橡膠表帶收集脈搏振動，這樣不僅能催動線圈在磁場中的運動，還能收集脈搏信息；③通過安裝在手表底盤和表帶的傳感器實時監(jiān)測使用者的生命體征，可實現(xiàn)手表的多功能使用；④模塊化設(shè)計實現(xiàn)了快速的組裝和拆卸。

此外，本方案還將手表的驅(qū)動力從傳統(tǒng)的紐扣鋰電池轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁鞣N形式未曾利用的能量，為利用各類能量進(jìn)行了初步試探。

〔編輯：張思楠〕