關鍵技術 ‧ 智慧衣的各種供電可能

2018/06/13

文=黃晟睿 ‧ 裴嬿

穿戴式裝置正火紅，但相較於智慧手錶或手環，智慧衣因為能更大範圍的貼近人體，其實在生理檢測上比手環類產品更為準確‧‧‧

穿戴式裝置正火紅，但相較於智慧手錶或手環，智慧衣因為能更大範圍的貼近人體，其實在生理檢測上比手環類產品更為準確。

放眼全球，從Nike、adidas、Under Armour等運動服飾龍頭，到蘋果、Google、與英特爾等科技大廠，都投入智慧衣研發。而國內紡織大廠從儒鴻、聚陽、遠東新、福懋、偉全、南緯、宏遠、聚紡、紡慶、到潤泰全球，也都揮舞著智慧衣的大旗，分別從運動、娛樂、醫療照護等應用領域搶進商機。

其中，儒鴻獲全球百大科技獎的「iSmartweaR感知智慧衣」，以雷達波偵測心跳、呼吸與血壓，完全突破傳統智慧衣必須貼身才能量測的限制，即使相隔20公分距離、放在寬鬆衣服上也能測量心跳呼吸，因此可以廣泛用於長短袖、T恤或外套等款式，以滿足不同族群、不同情境的穿戴需求。據了解，這款智慧衣採用奈米銀線和高分子材料，將天線的線路圖熱轉印貼合到衣服，再加上微型雷達奈秒脈衝(NPNS)感測技術的小控制盒，目前正接受美國知名品牌服飾廠的認證，預計2018年初可開始出貨。

Photo: 儒鴻iSmartweaR感知智慧衣

另外，運用導電奈米碳管薄膜的遠東新智慧衣DynaFeed，則是榮獲全球知名的運動暨戶外用品展ISPO AWARD 2016/17年金獎。目前遠東新並分別與美國戶外運動品牌L.L.Bean、瑞士電子醫療品牌Valmed合作，贊助美國滑雪隊選手進行訓練，透過DynaFeed與App的串連，記錄滑雪選手在訓練途中的身體數值變化、細微動作角度變化等，以及利用DynaFee獨家奈米碳薄膜導管技術，達成「乾式電擊」目的，協助肌肉萎縮者進行復健，同時搶進運動、醫療智慧衣市場，最快明年上市。

Photo: 遠東新智慧衣DynaFeed

至於聚陽則是於2017年4月成立「創新研發中心」，卡位智慧衣市場。攜手金寶以自有品牌「XYZlife Patch BC1」智慧衣搭載穿戴式心電圖裝置，目前已通過UL(Underwriters Laboratories )審核，拿到歐盟醫療器材認證(CE MDD)，並計畫2018年申請美國FDA認證。

Photo: XYZlife

不過，儘管智慧衣前景火熱，在現有技術下仍尚有未解的難題，例如能量儲存紡織品所能供給的電力其實並不高，尤其是保暖功能極為耗電，大體積的儲能電池不僅穿著累贅，也降低了穿戴舒適性。
雖然近年陸續有中、美研究團隊們分別展示由石墨、奈米碳球與碳奈米管製成，又能編織進服飾的纖維狀超級電容器。且這些以碳爲基礎的柔性微型超級電容器，擁有的存儲容量(體積能量密度)已可達每小時6.3 μW/mm3，媲美4V，500μA/hour的薄膜鋰電池，但一方面因為造價不斐，另方面部分人士對於碳奈米粉末尚有疑慮，擔心如吸入人體，可能產生類似PM2.5人體無法阻檔或排除的情況，小於PM10的懸浮微粒，可以穿透支氣管和肺泡對呼吸系統和心血管系統造成傷害，導致氣喘、肺癌、心血管疾病、新生兒先天缺陷和過早死亡。

因此，如何讓穿戴科技克服長時效供電的瓶頸，又能穿的舒適、穿的安全，電池技術勢必影響智慧衣發展大局。

Myant：智慧衣結合無線充電技術

Myant公司是將軟電子(soft electronics)科技應用在紡織品的先驅，加拿大聯邦政府去年宣布投入9.5億美元啓動“超級創新聚落” (supercluster)，集合超過100個學術機構、非營利組織、醫護組織，以及生產商等，而Myant也是其中之一。
在2018年CES消費電子展中，智能服飾製造商Myant與無線充電開發商Energous合作推出全新“智能”內衣品牌Skiin，內衣上搭載6個不同的傳感器，每個傳感器都由一個小小的充電組塊供能，用以追踪心率、溫度、壓力、動作，以及身體脂肪含量和身體水含量，甚至同步智能家居產品，並將各項數據傳送到你的手機上。最特別的是，它還能無線充電。
過去無線充電技術多用在手機，而現在它使用Energous的WattUp無線充電技術可以為內衣中的嵌入式傳感器充電。據了解，Skiin運用的WattUp Mid Field的遠距無線充電距離最遠達3英尺(約1公尺)，其利用無線電波射頻(radio frequencies)傳輸電力，先將電流轉換成無線電波在空間傳導，等接收端(電子設備)裡的接收器使用天線接收到後再轉換成直流電，如此一來就能隨時隨地為多種裝置充電，只要接收端配備了正確接收器即可，如Wi-Fi、藍芽一般。WattUp Mid Field也是首個通過美國聯邦通訊委員會(FCC)中距離無線充電技術認證的產品。該公司目前並進一步完善遠距無線充電技術，希望將無線充電的距離擴大至4.5米。
對於這項新產品，雖然投資研究網站Seeking Alpha專欄〈Stock Puzzle〉曾經分析，WattUp產品在充電時可能會干擾Wi-Fi連接。但無論如何，不受限制的無線充電已經讓智慧衣的發展跨向下一個里程。

Photo: Myant Inc

印度大學：催生史上最薄電池

印度理工學院甘地納加分校(IIT Gandhinagar)研究團隊宣布，開發出號稱世界最薄的材料，厚度僅1奈米，為一張紙的十萬分之一，將可應用於下一代電池和吸收紫外線的薄膜。
印度科學網(India Science Wire)報導，印度理工學院甘地納加分校團隊利用二硼化鎂(MgB₂)製造出前所未有的奈米材料，厚度僅1奈米。參與研究的助理教授賈蘇甲(Kabeer Jasuja)介紹，新物料製造方法很簡單，只要將二硼化鎂溶解在水中，等待一段時間讓它重新結晶，即可製作出排列成蜂巢狀的2D納米片。環保而且具備低密度、高機械強度，輕量、耐熱、耐化學侵蝕等特點，成本也較石墨烯低，有助於催生下一代輕薄電池應用，這項研究成果並已經發表在《ChemPhysChem》科學期刊。

Photo: IIT Gandhinagar

Zap&Go：石墨烯超級電容器的革命

傳統鋰離子(Li-ion)電池廣泛應用於手機、筆記型電腦、無線電器和電動車，它們包含高度易燃的電解質以及鋰的成分，負極可能變得過熱導致結構不安全，如果過度使用將導致危險，例如Galaxy Note 7產品召回。
針對上述問題，Zap&Go開發出的Carbon-Ion石墨烯超級電容器，可解決所有當前家用電器、鋰電設備和充電車輛遇到的慢速充電問題，能夠快速的充放電。
這項技術使用的奈米碳材料為“奇蹟材料”石墨，其可在高電壓下安全工作，雖然Zap&Go全新的石墨行動充電器只有1500mAh電容量的電池(大約只能為手中的 iPhone 5S 1440mAh充滿電一次)，但它的賣點在於充電速度，只需要短短五分鐘就能充滿，單位時間內輸入的電流量超越鋰離子電池，同時在能量密度上也有所提升可以達到或超過其他可充電電池(如鎳鎘和鎳金屬氫化物)的能量密度，且因為碳的活性低，所以沒有爆炸的風險。
該專利技術由牛津大學與Zap&Go科學團隊自主開發。雖然Zap&Go全新的石墨行動充電器，容量只有1500mAh，只能為手中的iPhone 5S 1440mAh充滿電一次，不過Zap&Go行動充電器的賣點是在充電速度，只需要短短五分鐘就能夠為Zap&Go行動充電器充滿電。2017年Zap&Go已與正式與株洲立方新能源科技有限責任公司簽訂協議，進行Carbon-Ion石墨烯超級電容器量產開發。雖然目前主要針對市場為車用、手機、機具，但是它更輕、更小，充電速度更快也更安全的優點，勢必帶來一場儲能革命。
2017年Zap&Go已與正式與株洲立方新能源科技有限責任公司簽訂協議，進行Carbon-Ion石墨烯超級電容器量產開發。雖然目前主要針對市場為車用、手機、機具，但是它更輕、更小，充電速度更快也更安全的優點，勢必帶來一場儲能革命。

Photo: Zap&Go

muRata：可量產的薄型大容量層壓電池

日本大廠村田製作所(muRata Manufacturing)的UMAL高儲量薄型層壓型能量裝置，因為具有高速充放電和長循環週期的特性，可以更快速的將電池充電，同時採用穩定的化學成分，萬一短路也不會起火或冒煙，因此十分適合用於各種可穿戴設備。
村田公司表示，UMAL高儲量薄型層壓型能量裝置可高速充電放電，一般我們將電池容量在1小時內充電或放電的電流定義為1C，C為電池充放電電流大小的比率(如：240mA充電1小時能將其充滿，其電池放電C率為1C，30分鐘則為2C)，12mAh的UMAL電池的平均最大充放電率為10C (240mA)，代表在同電量下充電時間是1C的十分之一。
且由於其使用穩定的化學材料與封裝，不會發生熱失控，經實驗5000次循環充放電使用後，充電容量依然有90%以上，為超輕薄、壽命長、可量產的能源裝置。

Photo: Murata

Zinergy：柔性可撓的印刷薄膜電池

電池的柔性和續航能力，一直以來都是可穿戴設備推廣的最大瓶頸。
英國皇家工程院院士、劍橋大學教授Gehan Amaratunga與劍橋大學工程系博士Pritesh Hiralal於2015年創立的Zinergy(英國鋅能源公司)電池公司，即致力於柔性電池的研究。
柔性電池能够根據設計需求隨意變換形狀，運用到可穿戴設備上能够獲得更舒適的體驗。Zinergy公司採用奈米級電極材料、固態電解質、整合封裝技術研製出一次性及可充電的超薄柔性鋅電池，其中可充電的鋅銀電池(正極為氧化銀，負極為鋅)經實驗室測試充電次數已達200-250次。傳統銀鋅電池耐震且能夠大電流放電，但價格昂貴且使用壽命較短，ZINERGY公司的配方和無汞列印技術可阻止鋅枝狀晶體的生長，從而使鋅電池具備了可以循環充放電。
超薄柔性的鋅電池加上靈活的薄膜印刷技術，可以多元化應用，包括可穿戴設備、RFID(無線射頻識別系統)、智能卡、醫療貼片、加熱面膜…等。
因為現今智慧型手機大多都搭載NFC近場感應功能，所以RFID晶片比QR code在使用上方便許多，只要將開啟NFC的手機靠近RFID晶片就能讀取晶片上的訊息，而且晶片的樣式多元，不像QR code都是正方形方塊，而能有更多客製化的設計變化。

Photo: Zinergy

Queen's：醫療安全級的可撓式有機電池

英國北愛爾蘭首府貝爾法斯特女王大學(Queen’s University Belfast) 離子液體實驗室研究中心2017年發表一款具有彈性、可分解的有機電池，打破電池硬梆梆的剛硬刻板印象。
研究主持人Geetha Srinivasan博士說，這款電池設計用來取代植入式心臟起搏器或是植入式心跳去顫器的舊式電池，過去的硬式電池由於體積跟形狀的原因植入後會突出皮膚與衣物摩擦時，可能讓使用者產生不適或是外觀的美觀問題。
新電池不僅柔軟輕薄，而且具有安全考量，因為它是由天然的生物材料（例如纖維素）而非昂貴的金屬或複雜的半導體組成。新電池利用會導電的生物聚合物當電極，以離子液體作為更安全的電解質，因此不用擔心它在人體中分解或滲漏而產生有毒物質，同時因採用不易燃物質，所以也不會有爆炸的危險，除非你處在270℃以上的環境。
Srinivasan博士並表示，如有適當資金挹注，這些設備可以輕鬆實現商業化，以便在未來五年內為類似醫療設備供電。這項發明並已刊登於《能源科技與綠色化學》(Energy Technology and Green Chemistry)期刊。

Photo: Queen's University Belfast

Wollongong：以蠶絲製成的可降解電池

科學家們一直在鑽研上如何將醫療傳感器和設備儀器送進身體裡，藉這些傳感器和設備傳輸圖像與刺激傷口癒合，或在短時間內輸送藥物。但大多數的智能無線傳感器都是由外部電源供電，因此只能埋放在皮膚深處。為了讓儀器能更深入身體中工作，這些設備需要裝載電源。
可生物降解的電池能夠產生足夠的電壓並持續的供電，同時可暫時植入身體，經過一段時間後會慢慢的自行分解，而不需要再從身體內取出。澳洲伍倫貢大學(University of Wollongong)因此以柔軟的蠶絲蛋白(SF)與同樣具有生物相容性的離子液體(IL)硝酸膽鹼([Ch][NO3])混合，製成離子導電膜(SF-[Ch][NO3])與電池電解質，陽極為鋁鎂合金，陰極為純金，整個電池約一張郵票的大小，使用的材料全都對身體無害。
經實驗，170μm厚的可生物降解電池電壓為0.87V，功率可以滿足植入式醫療傳感器。且該裝置在蛋白酶緩衝液中45天後幾乎完全分解，僅留下惰性的奈米金顆粒最終可通過腎臟排出體外。研究人員並稱，可根據電力時間以及電池分解速度量身訂製所需電池。該項研究並發表於《ACS Energy Letters》。

photo: ACS Energy Lett

RIKEN：可水洗的太陽能電池

日本理化學研究所(RIKEN)的創發機能科學研究中心(Center for Emergent Matter Science，CEMS)，2017年9月於英國科學雜誌《自然能源》(Nature Energy)發表的超薄有機太陽能光電池(organic photovoltaic，OPV)，如薄膜一般僅1μm(微米)的厚度(相當於0.001mm)，每平方公分約可產生7.86毫瓦(mW)的電流。而且擁有絕佳的彈性，可以拉伸至原始長度1.5倍長，經過20次模擬洗滌後仍保有80%的效率。
相對於無機太陽能電池，有機太陽能電池由於具有可大量製備、價格相對低廉，質地柔軟可撓曲等特性，應用前景頗為看好，但它們也同時有能量轉換效率低、穩定性差等缺點尚待克服。
根據RIKEN CEMS表示，這款超薄的OPV有機活性層採用一種新型半導體聚合物PNTz4T製作，在空氣和水中非常穩定，1μm厚度將陽光轉為電力的能量轉換率約為8%，如將OPV厚度加厚則可達10%的轉換效率。而目前市售多數太陽能板效率約在15%左右。
過去科學家們已經開始嘗試結合太陽能電池與紡織品，但多半因缺乏空氣和水的長期穩定性、能量效率和抗變形的穩健性而棋差一招。RIKEN CEMS首席研究員Kenjiro Fukuda表示，研究室將貼附有3μm超薄有機太陽能電池的100%白色棉襯衫浸泡在洗滌劑水中進行水洗，電池表面覆蓋著一層防水塗層，但不至於對收集太陽能的能力造成不利影響。結果發現將電池浸泡在水中約2個小時後，效率僅降低5.4%；且經過20次模擬洗滌後，電池仍能保持原有效率的80%。
Fukuda並期許未來如果能產生足夠高的電壓和電流，這項產品將不止於生物體徴偵測，還可以為手機等移動設備充電，甚至提供家用電力。不過這目前仍受限於太陽能電池的成本與尺寸，如果服裝中的太陽能電池能與另一個儲存電力的輕薄電池進一步串連，將可進一步加強作用，提供穩定的電能。

(a)超輕薄柔軟的有機太陽能電池；(b)將太陽能電池包覆在半徑35um的髮絲上，證實其可極度彎曲的柔韌性；(c)將超薄太陽能電池連接到預拉伸的彈性體，製作出可拉伸太陽能電池，由左至右分別展示其平坦、30%和50%的彎曲壓縮。Photo: RIKEN CEMS

KOLON：時尚版的彩色太陽能板

來自韓國的人造纖維生產商KOLON Industries，去年在柏林IDTechEx展展出推出多種顏色的彩色太陽能板，目的是為了可以與各種不同的服飾搭配顏色，兼具外觀與實用性。
現場展出的概念性商品戶外夾克及登山背包，透光度達到50%，結合功能性布料的防水透濕將太陽能面板嵌在後背易吸收光源的位置，再利用太陽能收集能源後儲存在電子模組中，未來可充電發熱做多項運用，另，背包內側裝有類似電腦主機的散熱裝置並且可發光，也是利用太陽能收集能源。

Photo: KOLON Industries

香港城市大學：可織在服飾中的紗線電池

截至目前為止，開發高性能的可穿戴式電池一直都是個挑戰，因為缺乏高導電性又具有良好強力與可以靈活織造的織物材料。香港城市大學科學材料與工程系教授支春義Chunyi Zhi，以具有高度柔韌性的微米級不鏽鋼絲為紗線電池的芯，表面沉積有金屬 (陽極為鋅，陰極為氫氧化鎳鈷)，最外層以凝膠電解質塗覆。柔軟的導電紗線可以編織或織成布，為可穿戴電子產品、智能服裝等電子設備提供電力，研究人員並將其編織成一塊的導電布，作為腕帶電池為手錶和LED燈供電。
據了解，此電池紗線的電池容量為16.6 mAh/cm³，是至今紗線能量存儲設備中最高者。且在紗線彎曲和扭轉1000次後，電池分別保持初始容量的80%和70%。未來，支春義領導的研究室並將致力於可水洗、防水、耐用的紡織電池，以更接近市場需求。

Photo: Huang et al.

加州大學：以汗水作為生物電池的燃料

微生物的世界超乎想像，也為生物素材帶來無限可能。美國多所院校將腦筋動到汗水，從汗水中蒐集能源，除了我們之前專題中《以細菌為原料，生物素材帶來的環保新契機》提過的紐約賓漢頓大學以織品為基礎、靠細菌發電的「紡織生物電池」，由加利福尼亞大學聖地亞哥分校可穿戴傳感器中心主任領導研究小組也從事於生物燃料電池的研發，利用酵素和人體汗液內含有的乳酸引發生物化學反應，來產生小電流。
研發的目的是為了讓穿戴裝置不需要天天充電，為了達到這個目標，使電量能夠增加，生物燃料電池設計成一排一排的陰極和陽極點陣，點陣列的上方還配置了3D印刷的奈米碳管材質，每個陰極和陽極點通過類似彈簧的結構連接(研究人員將此稱為橋與島連接設計)，可以讓電池更靈活的彎曲拉伸，接下來，研究團隊將此電池放在自行車上運動中的幾個測試者上，發現產生的能量足夠為LED燈提供4分鐘的電力。
雖然結果似乎並不盡人意，但這是史上第一次生物燃料電池產生這麼多能量，是過去生物燃料電池的10倍能量。該項研究發表於《能源與環境科學》期刊(Energy & Environmental Science)，電壓為0.2V時開路電壓0.5V，功率密度接近1.2mW/cm2。