1975 年，世界上第一塊計算器手表問世。

這款采用 18 K 金打造的 " 原始版 " 可穿戴電子設備，當時的售價高達 3950 美元（如今的售價約為 2 萬美元）。高昂的價格，讓大多數(shù)試圖 " 先買為敬 " 的消費者們望而卻步。

而且，過小的數(shù)字鍵需要使用搭配的手寫筆才能點按準確，其電池也僅僅支持使用幾個星期。

圖｜世界上第一塊計算器手表 Pulsar

盡管如此，這款計算器手表的問世，代表了可穿戴電子設備產(chǎn)業(yè)的開始。

自此以后，隨著新技術、新材料、新工藝的出現(xiàn)，智能手環(huán)、虛擬現(xiàn)實頭戴式耳機、智能眼鏡等可穿戴電子設備開始 " 飛入尋常百姓家 "，它們體積輕巧、佩戴方便，不僅可以更加高效地處理外部信息，還能監(jiān)測人體活動和健康狀況。

然而，

如何更好地為可穿戴電子設備和個性化生物監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)供電，仍然是科學家在當前面臨的一項巨大挑戰(zhàn)。

一種很有前途的解決方案是使用熱傳導發(fā)電機（TEG），它可以將身體的熱量轉化為電能。

熱傳導發(fā)電機，也被稱為塞貝克發(fā)電器，是運用熱電效應（塞貝克效應）將熱（溫度差）直接轉換成電能的一種裝置，一般轉換效率約為 5-8%。

當一個熱傳導發(fā)電機的兩端存在溫差時，就會產(chǎn)生一個電壓，而當一個電壓施加于其上時，它也會產(chǎn)生一個溫差。因此，熱電效應可以被用來產(chǎn)生電能、測量溫度，冷卻或加熱物體。

但是，基于熱電效應的舊式熱傳導發(fā)電機使用的是雙金屬接面，整體非常笨重。

同時，為保持工作效率，熱傳導發(fā)電機必須符合曲面設計以及將熱障最小化，而且需要在發(fā)生大的形變情況下仍然顯示出耐久性。

近日，來自華盛頓大學的研究團隊在這一方向取得了新的突破——研發(fā)了一種由無機半導體和印刷多功能軟質材料制成的高效可拉伸熱傳導發(fā)電機。

圖｜由多功能彈性體復合材料 3D 打印而成的可穿戴熱傳導發(fā)電機（來源：該論文）

據(jù)介紹，這種柔性的、可穿戴的熱傳導發(fā)電機，不僅可以將體熱轉化為電能，而且還具備柔軟、可拉伸、結實、高效的特性。在以往的研究中，這些特性很難完全組合到一起。

相關研究論文以 "Printing Liquid Metal Elastomer Composites for High-Performance Stretchable Thermoelectric Generators" 為題，已發(fā)表在科學期刊 Advanced Energy Materials 上。華盛頓大學機械工程碩士研究生 Youngshang Han 是該論文的第一作者，華盛頓大學機械工程助理教授 Mohammad Malakooti 為該論文的通訊作者。

" 如果把本來會被浪費到周圍的環(huán)境中的熱能收集起來，那就是 100% 賺到了。要想把這些能量用于自供電電子設備，還需要一個更高的功率密度；而且利用增材制造技術還可以提高生產(chǎn)可拉伸電子產(chǎn)品的效率，并與可穿戴設備無縫集成。" Malakooti 說。

據(jù)論文描述，

即使經(jīng)過 30% 應變的拉伸循環(huán) 15000 余次后，原型熱傳導發(fā)電機仍然可以保持完整的功能，這一優(yōu)異性能是通過利用 3D 打印和調整 TEG 設備中每個層的材料屬性來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)顯示，該熱傳導發(fā)電機的功率密度比以往的可拉伸熱傳導發(fā)電機增加了 6.5 倍。

圖｜熱傳導發(fā)電機與鋁塊的發(fā)電試驗。（來源：該論文）

為了制造出這一熱傳導發(fā)電機，研究團隊在每一層都打印了具有工程功能和結構特性的復合材料。其中，填充材料內(nèi)的金屬金屬合金可以提供高的導電性和導熱性，這些金屬合金解決了以往設備的不能拉伸、傳熱效率低和制造過程復雜的問題。

此外，為了減輕熱傳導發(fā)電機的重量，以及將熱量導向核心層的半導體，研究團隊也向其中嵌入了空心微球。

圖｜可拉伸熱傳導發(fā)電機的設計與制備示意圖。（來源：該論文）

研究團隊表示，他們可以將該熱傳導發(fā)電機應用到衣服和其他物體上，比如打印在可拉伸的紡織品和曲面上，并對其在自供電可穿戴電子設備、熱觸覺傳感器、軟機器人和人機交互方面的應用潛力感到興奮。

未來，他們將通過優(yōu)化設備結構和選擇更合適的材料等方法繼續(xù)提高該熱傳導發(fā)電機的性能。

Malakooti 表示，這項研究的一個獨特之處在于，從材料合成到器件制造和表征，覆蓋了整個生產(chǎn)流程。這讓他們可以自由地設計新材料，發(fā)揮創(chuàng)意，設計生產(chǎn)過程中的每一步。