人体“发电”或成为可能，南方科技大学刘玮书团队等开发新型的可穿戴设备学术资讯

来源：iNature

原标题：Science：人体“发电”或成为可能，南方科技大学刘玮书团队等开发新型的可穿戴设备

从环境中收集热量转化为电能有潜力为物联网（IoT）传感器供电，使它们摆脱电缆或电池的束缚，特别是用作可穿戴设备。

2020年4月30日，南方科技大学刘玮书及麻省理工学院陈刚共同通讯在Science 在线发表题为“Giant thermopower of ionic gelatin near room temperature”的研究论文，该研究利用协同热扩散和热电流效应，在柔性，准固态离子热电材料中证明了17.0 mV K-1的巨大正热功率。离子热电材料是一种明胶基质，由离子提供剂调节以实现热扩散作用，并通过氧化还原对进行调节。一种概念验证型可穿戴设备，该设备由25个单极元件组成，这些元件在2 V的电压下产生，并利用人体热量产生5μW的峰值功率。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换，为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

另外，2020年4月29日，南方科技大学郭红卫团队在Nature 在线发表题为“Plant 22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”的研究论文，该研究报告鉴定和表征一组由植物中的DICER-LIKE 2（DCL2）蛋白产生的内源性22个核苷酸的siRNA。当胞质RNA衰变和DCL4不足时，由此形成的22个核苷酸的siRNA的大量积累会引起多效性生长障碍，包括严重的侏儒症，分生组织缺陷和色素沉着。值得注意的是，编码硝酸盐还原酶的两个基因NIA1和NIA2产生了将近一半的22个核苷酸的siRNA。产生22个核苷酸的siRNA会触发基因沉默的扩增，并导致基因特异性和整体性的翻译抑制。此外，这些22个核苷酸的siRNA优先在环境胁迫下积累，尤其是那些源自NIA1 / 2的siRNA，它们起着抑制翻译，抑制植物生长和增强胁迫反应的作用。因此，该研究揭示了22个核苷酸的siRNA的独特特性，并揭示了它们在植物适应环境胁迫中的重要性。

基于Seebeck效应的热电转换材料可以实现热能与电能之间的直接相互转换，可为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。目前，基于传统电子型的热电转换材料（e-TE）在室温环境下捕获的能量可以达到毫瓦级的输出功率，但是受半导体电声输运行为的限制，优化的热电势约在200 μV/K左右。为获得1～5 V的供传感器正常工作的电压，该材料需要成千上万对n/p热电对串联，增加了器件的复杂度和集成度；或者需要外接升压芯片提高电压，但会增加功耗，提高成本。

卡通图（来源南方科技大学官网介绍）

离子型热电转换材料具有较高的热电势，产生热电势的形式大体上分为两种形式：一种是利用离子的热扩散效应（Thermodiffusion Effect），即利用温差下离子定向迁移的浓度差引起的熵变实现热到电的转换，这与以电子为能量载体的Seebeck效应类似；另一种是利用氧化/还原电对的温度效应（Thermogalvanic Effect），即利用氧化/还原反应过程中的熵变实现热到电的转变。该研究工作从实验和理论两个角度阐明了有负的温度系数的thermogalvanic效应和p型热电势的thermodiffusion效应能够协同作用进而产生高的p型热电势。

巨热电势离子型热电材料（图源自Science ）
研究人员对准固态离子型热电转换器件提出了一种新的准连续热充电/放电工作模式，可以使器件循环运行100圈，实现5小时的工作时长。研究人员将25个5×5×1.8 mm的准固态离子型热电单元串联组装成柔性可穿戴器件，该器件利用人体温差实现高达2.2 V的电压和5μW最大输出功率。该工作以离子为能量载体实现热到电的转换，为物联网体系中传感器及电子设备实现所需电能自供给提供了一种选择。

协同机理（图源自Science ）

该工作理论方面的突破得到了陈刚院士的重要支持。刘玮书表示，科学探索除了需要有面临挫折时的坚持，还离不开良师益友的指导。“实验发现巨热电效应，带给我们的是短暂的喜悦和一堆疑问，在与研究伙伴反复推敲，回答陈刚院士提出的一个个问题的时候，才真正体验到研究的意义和魅力：研是动手，去探索与发现；究是动脑，去思考穷极真理，格物致知”。
论文第一作者为刘玮书课题组博士后韩成功，共同第一作者、麻省理工学院博士后钱鑫对于论文在协同效应的理论解释上有重要贡献。刘玮书和陈刚为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。论文的参与作者还包括南科大物理系教授张文清、南开大学教授王卫超、香港大学副教授冯宪平，以及2018级南科大-港大联培博士生李其锴、2017级南科大-哈工大联培博士生朱永滨、2018级南科大-哈工大联培硕士生邓彪、北科大访问学生韩志佳等。
该工作得到了SUSTech-MIT机械工程教育与研究中心，广创团队项目和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目的支持。

参考消息：

https://science.sciencemag.org/content/368/6490?current-issue=y

来源：Plant_ihuman iNature

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