節能多用途手表

沈陸垚　周劍濤

摘 要：本著節能的理念，創造性地提出了基于人體的可轉換人體生物能和太陽能的新型手表。運用模塊化的設計理念，使用安裝在手表底盤和表帶上的傳感器實時監測使用者的各項生命體征，實現了手表的多功能開發，完成了使用者與手表的新型“人機交互”。

關鍵詞：手表；傳感器；太陽能轉換技術；人體生物能

中圖分類號：TH714.52 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.028

1 原理與方案介紹

1.1 方案設想與理念

本方案基于進一步研究和開發人體生物能潛在的拓展運用，充分運用傳感器和太陽能轉換技術，借助人體生物能和太陽能實現手表的正常功能，并將模塊化的設計理念融入節能手表的設計中，使每個模塊在結構上相互獨立、在功能上相互聯系，從而大大提高系統的可靠性和經濟性。

1.2 模塊介紹

1.2.1 傳感器模塊

本方案采用的是MEMS傳感器與光纖光柵傳感器相結合的傳感器監測技術。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器，光纖布拉格光柵傳感器是以波長調制為傳感信號，可以實時監測生命體征系統。

根據上述2種傳感器的特點，我們在手表底盤上安裝了光纖光柵傳感器，可以監測使用者的體溫，在表帶處安裝了MEMS傳感器，可以監測使用者的心率和脈搏，從而對使用者進行生命體征的實時監測，大大提高了安全性和可靠性。

1.2.2 太陽能轉換模塊

本方案采用CIGS太陽能薄膜電池，其優勢有3個：①對可見光的吸收系數高達105 cm-1量級；②穩定性好；③較高的光電轉化效率。本方案將CIGS薄膜電池安裝在手表的四周，并與手表內部的電能存儲裝置連接。當陽光照射到薄膜電池上時，電池將太陽能轉換成電能，并通過專用導線將電能送進存儲裝置，供手表的表針擺動和傳感器工作使用。

1.2.3 生物能轉換模塊

在表帶與表盤的連接處增加了微型發電裝置，用于收集脈搏或手腕抖動所蘊含的生物能，并將其轉換成電能。這類裝置類似于手搖發電機，通過振動使線圈在磁場中旋轉產生電流，并通過專門的導線將電能送進手表內部的電能存儲裝置。這部分能量雖然在單位時間內非常微弱，但其每時每刻都會產生，日積月累下來也是不少的能量。

鑒于節能手表各項功能的完美實現，此款手表需要采用橡膠制成的可伸縮表帶，這有利于各項信息和微弱機械能的收集。

1.2.4 電能存儲模塊

本文在手表內部設有電能的存儲裝置，類似于電池，與表盤兩端的微型發電裝置、四周的太陽能電池相相連，以便于將轉化而成的電能傳輸到存儲裝置中，相當于為電池充電。裝置周圍還有導線連接傳感器和表針，以便于傳感器和表針使用存儲裝置中的電能，相當于電池的放電過程。由此可見，該電能存儲裝置就相當于控制電量存和放的中樞系統。

1.3 工作流程簡介

本方案采用模塊化的工作方式：布置在手表底盤的光纖光柵傳感器和布置在表帶的MEMS傳感器對使用者的身體狀況進行實時監測，安裝在手表四周的CIGS太陽能薄膜電池將太陽能轉換成電能，表帶與表盤連接的區域通過微型發電裝置將機械能轉換成電能，從而實現手表功能的實現。

本方案在手表四周覆蓋了CIGS太陽能薄膜電池，在吸收太陽光后，能激活光電轉換系統并連通電路，從而產生電能，通過專用導線將電流傳輸到電能存儲裝置中。通過橡膠制成的緊貼在伸縮表帶，可以收集人體脈搏的輕微振動，并將振動傳遞到表帶和表盤連接處的微型發電裝置；通過使發電裝置中的線圈在磁場中運動產生電流，并將產生的電流通過專用的導線傳遞到電能存儲裝置中。當手腕抖動時，只要能使表帶振動，便能通過發電裝置產生電流并存儲起來。

2 工作原理

2.1 太陽能發電的原理

本方案中的太陽能電池是運用一種特殊的印花機將納米級的氧化鈦打印在模板上，并將模板浸泡在有機涂料中24 h，當涂料附著在氧化鈦上后，就制成了太陽能電池。這種太陽能發電涂料的成本很低，可大批量生產。

2.2 微型發電機的原理

本方案主要采用電活性聚合物微星發電機。電活性聚合物屬于大變形超彈性材料，是一種智能材料。這種聚合物材料的應變能力很強，是最具有發展潛力的仿生材料之一。電活性聚合物在直流電的作用下會產生大幅度的應變，沿電力線的方向收縮，沿垂直于電力線的方向膨脹，電容發生改變，進而導致活性聚合物兩端的電壓和儲存的電能急劇提高。

2.3 傳感器的監測原理

本方案采用MEMS傳感器，其具有體積小、重量輕、成本低、功耗低的特點，適合于批量生產，易于實現智能化。

MEMS已經發展成為應用廣泛的運動、加速度、傾斜度和振動傳感器。MEMS的核心結構是完全由硅制成的微型機械結構，包括能夠移動的質量塊、彈簧、腔室、阻尼器等。

2.4 電能存儲原理

考慮到成本與效率，本方案主要采用電磁儲能。電磁儲能是一種將能量保存在電場、磁場或交變電磁場內的儲能技術，可以實現與電力系統的實時、大容量能量交換和功率補償。

3 應用前景

本方案具有以下優點：①摒棄了手表傳統的電池驅動，嘗試將太陽能和生物能轉化為電能供手表工作，從而做到真正的“無碳手表”；②用緊貼手腕的橡膠表帶收集脈搏振動，這樣不僅能催動線圈在磁場中的運動，還能收集脈搏信息；③通過安裝在手表底盤和表帶的傳感器實時監測使用者的生命體征，可實現手表的多功能使用；④模塊化設計實現了快速的組裝和拆卸。

此外，本方案還將手表的驅動力從傳統的紐扣鋰電池轉變為了各種形式未曾利用的能量，為利用各類能量進行了初步試探。

〔編輯：張思楠〕