【文献选登】
编者的话：台湾赖盈至介绍一种通过纺线制成的摩擦能源撷取元件可以撷取人体的运动能量，由该纺线织成的布料可用于吸收身体各部位的运动能量，包含手肘伸展、膝盖伸展、走路、拍打等，并转换成电能用于驱动目前的电子元件与穿戴式、可挠式电子等电力问题。可供借鉴参考。
以纺线为主的摩擦电纳米发电机与自驱动感应纺线
-- 迈向自给自足的可挠式软性电子应用
赖盈至
中兴大学材料科学与工程学系
前 言
未来的个人电子系统将朝向轻、薄、小型化、可挠和可生物兼容，甚至可适应变形，以及多功能的趋势。这类型的可挠式电子模组将负责各式各样的功能，包括感测人体的身体讯号、身体的医疗保健、遥控、通讯、定位、环境感测和娱乐等智能型应用；如此，未来的可挠式电子模块势必需要得涵盖许多的功能性元件，以及各种感测器等。然而，随着这些功能性电子元件与感测器的需求增加，轻、薄、可携带又安全的电力来源，将成为越来越值得重视的问题，进而影响到这些可挠式科技产品的推展。以目前广泛应用的智能型手机就是一个典型的例子。以现今的情况而言，这些个人电子产品都是仰赖传统可携式的电池所驱动，但是这些传统电池面临了许多的问题与挑战，举例来说，可携式电池可以提供的电能有限、续航力有限，频繁的更换电池势必造成许多的不便。许多人应该都有这种经验：想象我们紧急需要使用手机的时候，也许是看时间、也许是需要紧急通讯，但手机的电池却早已没电，又找不到地方可以充电，这种困扰与窘境，对于功能日益进步且功能越多的智能型手机，更是常见，更不用说未来多功能的可挠式电子设备；除此之外，对于以24小时医疗为用途的植入性电子装备等可挠式电子应用，频繁地更换电池更是不可能的事情。即便有些电池可以充电，但是重复充电，仍需要时间，且有电池的寿命等问题。再者，目前的电池还受限于重量、厚度，以及坚硬的外壳，甚至还有环境污染、电解液外漏、潜藏的爆炸危险等种种问题。因此，对于下一代的可挠式电子产品与系统而言，完全仅仅依赖传统电池作为唯一的电力来源似乎渐渐变成是一件不切实际的事情。
对于下一代可挠式电子的实用性，除了其本身的功能以外，最重要的便是可挠式电子产品的续航力问题。电池问题可以说是未来可挠式电子的一大罩门。为了解决穿戴式、可携式电子系统的电力来源问题，一个可能的方法便是从人体自身的身体运动来撷取能量，并且将撷取的能量转换成电能，以供这些可挠式电子产品持续性地充电或使用。在人的一天当中，身体总是会有许多无论是有意或无意 ( 或称为肌肉反射 ) 的肌肉运动，较大的身体动作，如脚步行走、手部摆动、头部运动、关节运动、肌肉伸展，以及睡眠转身等，而较小身体动作包含 : 胸腔呼吸、血液流动、心脏跳动、内脏蠕动和声带运动等。在人体中无论是有意或者无意的肌肉动作，都带着许多机械动能，如果可以有效的收集这些身体的机械能，并且有效地转换成电能，就能够无时无刻、随时随地将身体动能转换成电能，再将转换的电能储存于电池或直接驱动电子元件，如此便是非常有潜力的可行方式。
为了达成这项目标，以纺织物为基础，开发可以撷取人体运动的机械能，并转换成电能的元件，是可能的方式之一。其主要原因是纺织物柔软、用途广泛，更重要地，人的一天当中总是会穿着不同的衣服，换句话说，人体总是会被不同的纺织物所包覆；因此，以纺织物为基础，开发能撷取人体动作的机械能，并且提供给软性电子、穿戴式/可携式电子是相对可行的。
我们实验室提供了一个有效的案例，便是利用纺线来撷取身体运动的机械能，在此我们称之为「单纺线为基的纳米发电机」( 以下简称为「发电纺线」)，该发电纺线可以撷取与外质材料触碰时的机械能，并转换成电力，除此之外，该发电纺线可以很容易地编织入具弹性的布料，所完成的纳米发电布料可以伸缩达100 %的应变，并且可以折、可以扭转、也可以揉，发电纺线具有相当的柔软性，并且非常地强韧。
以纺线为基的纳米发电机表现
该发电纺线可借由与外质材料接触时而产生电力。结果显示，当发电纺线与皮肤接触时，一段约5厘米的发电纺线可以产生约15伏特的开路电压，以及7微安的短路电流。而当将该发电纺线编织入约6.5 英吋×4.5英吋的弹性布料上时，当其与皮肤接触所产生的开路电压可以达到约200伏特，而产生的短路电流可高达200微安。其驱动负载的功率，可以从外接电阻来作探讨，当负载电阻匹配为10M欧姆时，可达最大输出功率为14毫瓦。这样的发电能力可以轻松地将与皮肤轻触所产生的机械能转换成电能，并且驱动数十颗发光二极管。
由发电纺线为主体的弹性布料，具有非常好弹性与韧性，可以制作在各种布料上，如与衣服整合用来撷取身体各部位运动时产生的能量；举例来说，将发电纺线的布料穿着在手肘部位，其可以撷取手肘弯曲与伸展时的机械能，并将其转换成电能，利用这样的手肘运动转换出来的电力，可以驱动数十颗的发光二极管，而其所产生的短路电流可达约1.2微安；而将发电布料穿着于膝盖处，则当膝盖弯曲与伸展时，其转换而成的短路电流可达约2微安；将发电纺线做成的布料当作鞋垫使用时，则可以撷取人体在行走时的机械能。当发电纺线做成鞋垫时，其可以从人体行走转换的短路电流可高达25微安，并且同时驱动数十颗的发光二极管，而不需要外接电池协助；在此我们可以想象，市面上的发光鞋大部分需要电池，然而电池容量有限、寿命有限、又要担心电解液外漏等问题，利用发电纺线制成的鞋垫，具有弹性、韧性，可以直接从人体走路时撷取能量，并转换成电能，直接驱动发光二极管，对于儿童或夜间慢跑的人，便是另一项有利的用途；发电纺线也可制作成手表的表带或腕带的形式，撷取手部拍打时候的能量，利用手部拍打，可以产生高达90微安的短路电流。发电纺线从人体运动机械能转换的电能，除了可以直接驱动发光二极管使用外，所产生的电力也可以持续性的驱动智能型手表，而不需要任何外接电池的协助，利用发电纺线制作成的腕带，可以利用手部拍打，持续性的供电给智能型手表，并且还可以作运算功能。以上的结果，可以清楚说明目前所开发的发电纺线，已经可以从人体各部位的运动机械能，有效转换成电能，提供目前的电子元件与穿戴式、可挠式电子使用。
纺线为基的纳米发电机应用于撷取身体运动能量
利用身体动作所转换出来的电能，除了可以直接驱动负载，也可以将其储存起来，以供需要时使用。将发电纺线与电容作连接，可将转换的电能储存在不同大小容量的电容里，对于一个2.2微法拉的电容，仅需要15秒便可将电容充电至25伏特；而对于一个10微法拉的电容，则需要10秒可将其充电至5伏特。当然，对于较大的电容，需要较大的充电时间，以达较大的充电电压，但可以想象，将发电纺线穿在身体上，一整天下来，则可以无时无刻的从身体运动撷取机械能，并且将其转换的电能充电至电容，以提供可挠式电子设备需要时作充电使用。
以纺织物为基础的能源撷取，已被证明可以从人体运动中撷取电能，以提供电子设备使用；然而，另外一方面，对于身体穿着的纺织物，我们需要再考虑纺织物本身的可洗性。因此，我们也将该发电纺线所制成的布料实际利用洗衣机作测试。用洗衣机测试，主要可以看出发电纺线的耐水洗能力，也就是洗衣机洗涤是否会将其发电纺线上的材料清洗掉；另外更重要的是，还可以看出发电纺织物是否可以忍受洗衣机的强力涡轮扭转。实验显示发电纺线在不同次数的洗衣机清洗下，短路电流的表现结果，从结果上可以清楚看出，在经过五次的实际洗衣机清洗下，其表现并没有太大差异，清楚地表明了发电纺线的可洗性、强韧性以及稳定性，这样的结果对于实际应用是相当有利的。
纺线为基的纳米发电机应用于自发电感应纺线
发电纺线除了可以提供可挠式电子随时随地的电力充电来源外，另一方面，发电纺线也可以设计为自驱动和自发电 (Self-powered) 的可挠式穿戴触觉感测器，当作智能纺线和智能衣使用。实验显示，一段约1.5厘米的发电纺线对于不同的触碰力道，其即时所可以产生不同大小的开路电压，不同的开路电压对应出不同的触碰力道。不仅电压可以感测触碰的力，短路电流也同样有相同的感测功能。
自发电同时具有感测能力的纺线，可以应用在各种纺织物品上。我们首先将纺线织入手套上，则该手套可作为自驱动和自发电的手势辨识手套，发电纺线缝入手套不同的手指部位，则在不同的手部动作与每一只手指的运动，会有不同的输出电流，例如将手比出不同的数字，如2的数字，则大拇指、无名指及小指会有电流产生，而用手指比出不同的数字，如4、6等数字，则对应出不同的电流产生，如此可应用为自驱动的手势感应手套。
除此之外，自驱动的感应纺线也可作为布料的人机互动界面，将发电纺线织入手套背面，则借由手指碰触会产生电压，借由产生的电压可传输摩斯密码，值得注意的是，在此不需外接电源，利用自驱动感应纺线的电压特性，可以打出“SELF-POWER”的摩斯字码，作为以纺织物为基的人机互动的界面。
更特别的是，此自驱动感应纺线对于力的敏感度使其可撷取出手腕脉搏跳动时的运动能，将此发电纺线轻放在脉搏处，则可将脉搏的跳动量测出来。
纺线为基的纳米发电机与微控制系统整合
以纺线为基础的感测能力，使其很容易与各类纺织产品结合当作感测应用；更复杂的应用，则可将其与微控制器作结合，制作成穿戴式的无线键盘，感测纺线可缝入衣服的手臂处，当手指触碰至自发电的感测纺线，纺线会输出一电压讯号给无线发射的微控制器，无线发射的控制器再将讯号传至笔记本电脑的无线接收端，达到穿戴式无线沟通的物联网应用。此外，感应纺线也可与为无线传输的微控制器作结合，并且缝入床单上，如此则可侦测到人体在床上的移动讯号，如当人体在床上转身时，则可发送无线讯号给接受端，此应用可用于睡眠质量侦测或者智能病床等。
结 论
电力来源以及电池续航力是下一代的可挠性电子产品的一大罩门。利用纺织物开发能够撷取身体运动时候的能量，并且将其转换成电能，为未来可挠式电子产品的电力来源，提供了可行的方法。我们介绍的这种用纺织线制作而成的纳米发电机，该发电纺线在与外质物品接触时候，可以将其机械能转换成电能，一段5厘米的发电纺线可以产生约15伏特的开路电压，以及7微安的短路电流。而当其编织入6.5英吋×4.5英吋的布料上时，产生开路电压可以达到200伏特，产生的短路电流则可高达200微安。该发电纺线制成的布料可以很容易地整合至衣服，并且撷取身体各部位运动时候的机械能，如手肘运动、膝盖运动、走路以及拍打等，所转换出来的电能可以直接驱动数十颗发光二极管，也可持续地驱动商业的智能型手表。此外，该发电纺线经过实际洗衣机的强力水洗与扭转后，仍可保持其能源撷取与转换的能力。除了当纳米发电机提供电能给可挠式电子设备外，发电导线也可以当作自驱动的触觉感应纺线，我们成功地示范了自发电智能型手势感应手套、自发电的人机互动纺线界面以及感测脉搏等应用。再者，发电纺线可以与微控制器做整合，开发出更复杂的无线应用，如无线穿戴式键盘、无线智能感测床等应用。从上面的成果，我们相信利用纺织物为基础制作的纳米发电机，可撷取人体运动时的机械能，并提供给未来可挠式电子，为未来可挠式电子产品的电力问题，提供了一种可行的解决方案。
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