摩擦起電 惱人靜電現象進化成現代智慧科技

新網記者歸鴻亭台北特稿
2018/1/10 下午 07:18:18 / 科技新知

　近年來隨著穿戴式裝置的風潮興起，醫療診斷的發展也朝穿戴式邁進。經濟學家已經預估穿戴式感測器的市場規模預計至2021年，將超過150億美元，但目前發展電力問題一直是個考驗。

清華大學生醫工程研究所副教授林宗宏說明利用靜電現象進化成現代智慧科技的發展。(歸鴻亭攝影)

　科技部政務次長蘇芳慶表示，穿戴式裝置受限於體積，並無法搭載大容量的電池。然而隨著科技的進步，穿戴式感測器的功耗將越來越小，因此清華大學生醫工程研究所副教授林宗宏及張煥宗研究團隊的概念是將穿戴式感測器的電力來源回歸到最基礎且本質的「人類」自身，利用每天的活動即會不斷產生各種機械能，將這些微小但卻最易取用的能量轉變為穿戴式感測器所需的電力。自供電感測器除了具備不需供電即可工作的優點，由於不需使用電源，也可大幅縮小感測器尺寸。對於第三世界國家、偏遠地區或軍事用途，具有不可取代之地位。

　林宗宏說明，為了實現這個概念，研究團隊在科技部經費支持下，利用結合摩擦奈米發電機及微小化電化學分析元件的技術，開發出可穿戴的自供電感測系統，用於偵測汗液中的乳酸及葡萄糖。

利用結合摩擦奈米發電機及微小化電化學分析元件的技術，開發出可穿戴的自供電感測系統，用於偵測汗液中的乳酸及葡萄糖。(歸鴻亭攝影)

　摩擦奈米發電機是在2012年，由美國喬治亞理工學院教授王中林首先研發出來的，主要工作原理是基於摩擦起電及靜電場誘導效應，用途則是在環境中機械能的收集。他指出，摩擦起電是自然界中很常見的一種現象，像是日常生活中簡單的梳頭髮、穿衣服及開門等動作，都可以感受到此現象；它的發生是來自於兩個材料經過接觸後，表面所產生的電荷轉移。事實上，科學家早在十八世紀就觀察到許多材料都會產生此現象。然而，這麼多年過去，大家普遍對此現象的感受，只有對生活帶來的不便；然而從摩擦奈米發電機的技術被研發出來，它不但變成科學家極力想重新探討、了解的現象，更是決定摩擦奈米發電機效能的主因，因其電力輸出的大小便是由材料接觸後，表面轉移的電荷量所決定。 

　林宗宏解釋，所有的材料都可以產生摩擦起電現象，也都可以被用來設計成奈米發電機元件。他之前與國外研究團作合作，探討衣服纖維及紙張在相關研究的潛力；在衣服纖維元件部分，除了可以收集肢體動作產生的機械能，也可用於直接量測人體其健康程度。在紙張元件部分，紙張本身除了可當作接觸材料之外，其本身的機械結構也可幫助元件受外力接觸後自動分開，可被用來當成偵測壓力的可攜式自供電感測器。

左為科技部政務次長蘇芳慶，右為)科技部自然司司長吳俊傑。(歸鴻亭攝影)

　考量到摩擦奈米發電機會穿戴於人體，可能會產生生物相容性及濕度影響電力輸出等效應，林宗宏的研究團隊率先使用蛋白質來設計摩擦奈米發電機，此元件除了具高生物相容性外，也具備了在高濕度環境下可以維持高電力輸出的特點，這也是有別於以往相關元件所表現的特性；另外，也可利用此摩擦奈米發電機來當作自供電的濕度感測器，不需電力供應即可量測環境中的溼度。