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冠軍作品—電能共生體

設計者：（同濟大學）胡可兒、袁碩

它是什么

電能共生體（Power Mutualism）是一種輕質、柔性、可移動、綠色的可穿戴自驅動型藍藻細菌發電材料，能夠從人體汗液、陽光和空氣中獲取養分，通過藍藻細菌光合和呼吸作用釋放電能，為可穿戴傳感或物聯網的小型智能設備提供綠色能源，使其擺脫外部電源充電等各種限制。并且它在運作過程中能減碳產氧，有助于緩解溫室效應，促進可持續發展。

設計靈感

從定點的電話亭到移動的手機，電器在變小、變輕、離網、離線，近未來將是物聯網和可穿戴傳感網絡。但現有的供電方式構成諸多限制。比如需要外接電源或定期充電，限制使用者活動;電池占據可穿戴設備的大部分重量，增加負擔;硅基材料體感差。最重要的是，大部分獲取能源的方式都對自然造成了巨大的傷害：化石燃料發電排放溫室氣體和有毒物質;電網在層層分配傳輸過程中產生隱形浪費;硅基電池原料不可降解……設計團隊在思考如何使新能源促進移動智能設備發展時，近年來世界各地爆發的“藻華”給了他們靈感。他們發現藍藻細菌在光合作用過程中會釋放電子，就像細胞級的發電廠。利用無處安放的“自然垃圾”藍藻，電能否被設計得更綠色、更輕負擔、更移動？

如何運作

利用藍藻細菌在光合作用中釋放電子的生命機制，設計團隊設計并實現了完整的可穿戴自驅動型電池結構，具體的技術運作有：

1、基于生物光伏電池的基本結構，該發電材料具備產生電子的陽極、催化氧化還原反應的陰極，和進行離子交換的鹽橋。該結構能捕獲藍藻細菌的電子，每12平方厘米（相當于一塊奧利奧餅干的面積大小）產生0.3伏～0.4伏的電壓;

2、單向導濕的水分管理織物像液泵一樣自然地誘導水分子連續、高速地從皮膚表面向外流動，從而促進電池的化學反應;

3、人體汗液作為自驅動力觸發離子交換，構成了人體環境下完整的發電結構，為小型可穿戴設備提供綠色電能;

4、并且人體汗液能持續為藍藻細胞提供水分、氯化鈉等養分，并有陽光、空氣、雨水等環境元素共同使得藍藻保持活性，以產生電能;

5、利用微藻光合產氧的生命機制，藍藻細菌發電材料能夠吸收二氧化碳、釋放氧氣，幫助緩解溫室效應，有益于可持續發展。

設計過程

在代爾夫特理工大學的材料體驗實驗室和同濟大學環境科學與工程學院的幫助和指導下，設計團隊開始了跨學科的研究與實驗。在諸多科研論文的基礎上，他們運用藍藻細菌涂層、多壁碳納米管導電油墨、鍍鉑碳布等原材料制作電池，第一次成功捕獲了藍藻細菌產生的電子。該藍藻細菌發電材料的原型大致經過三次迭代：第一種“chamber”腔室型電池體積和質量相對較大，具備完整但復雜的光伏電池結構;為了更好地拓展性，化簡為了第二種“sandwich”三明治型，其輕質、柔性，厚度僅1毫米～2毫米;為了更適宜人體穿戴，他們又將材料的結構改變為“wearable”可穿戴型。通過面料吸水性等性能測試，從10余種材料中篩選出具有快速單向導濕性能的水分管理織物，作為構建電池鹽橋的重要部分。通過在實驗室環境和健身房中的多次原型測試，實現了可穿戴自驅動型藍藻細菌發電。為了使電能共生體系統的效率更高，他們引入了參數化生成式設計。運用基于人體汗液圖譜和沃羅諾伊圖的算法，最大化利用人體汗液、加速電池陰陽極之間的離子交換，使能量循環更高效，以減少自驅動型電池的無效能耗。最后，經過3D建模、制版、絲網印刷、數字切割等工藝流程制作了最終功能性的成衣，用手臂上的燈光反饋來表達可穿戴藍藻電池的運行狀態。

有何不同

和功率大、有序性強、移動性弱的低熵能源相比，電能共生體是一種功率小、數量多、移動性強的高熵能源。它可以幫助智能電子設備從“中心化的電網傳輸和有線充電”向“分布式的離網離線自供電”發展，滿足近未來物聯網和可穿戴傳感網絡的能源需求。與干電池或蓄電池相比，電能共生體像一個移動的綠色發電廠，材料輕質、柔性、透氣，更適合作為面料為可穿戴設備供電，并且更環保可持續。與其他生物電池相比，電能共生體有效利用人體環境中“無用”的汗液，構成了自然與人類協作共生的新能源。與太陽能電池相比，電能共生體在夜晚無光照時，也能通過藍藻細菌的呼吸作用來產生電能。與其他環保材料相比，電能共生體不僅僅是生物可降解的，還有效利用了被遺忘或丟棄的豐富自然資源藍藻，能夠減碳產氧，不止“零排放”，而是“負排放”。

未來計劃

目前這項技術的發明專利正在審核中。對于未來，設計團隊的有三大目標。一是對材料做更全面的性能實驗和研究，并專門針對批量化生產做更深入的實驗和探索。二是探索將技術應用于各個具體場景的方案。比如在日常環境下，為健康監測設備、殘疾人或老人安全監測等智能可穿戴設備供電。或在野外極端環境下，使用其應急供電等。三是獲得支持資金，并獲得研究、技術、生產、等方面的合作。

全國入圍獎—凝心家用凝血檢測服務系統

設計者：（重慶大學）楊宇辰、任邵陽、趙德勝、王夢雅、秦盛康、譚郎、李雄、韓風俊

它是什么

凝心家用凝血檢測服務系統，檢測儀硬件部分是由重慶大學生物工程學院研制。能夠以指尖采血的形式對人體凝血四項數據進行精準檢測，操作簡單便捷，患者能夠在家自行操作。同時可以將檢測的數值反饋給醫生端，醫生根據數值給出具體的用藥反饋。患者不必再經常趕赴醫院，排隊進行復查，并耗費冗長的時間等待復查結果。檢測形成的數據鏈能夠最大程度上反饋出患者周期內的病情變化，能夠更好地把握病情。使患者能夠足不出戶即可精準把握病情。

設計靈感

團隊中有一位成員的爺爺是心血管疾病患者，同時也是一位三十年經驗的鄉村醫生，據他介紹，村里有很多老年人患有心血管疾病。該類病癥本身并不難控制，心血管疾病患者主要治療方式為支架手術，術后需要根據定期復查結果更改藥量，部分藥物無論藥物過量還是不足，都會對身體造成不可逆損傷。而超過六成患者由于疏忽、行動不便等因素制約，無法定期復查來改變藥量，從而造成病情惡化。據數據顯示，2018年中國心血管疾病患者總數約為2600萬人，已經成為影響中國中老年人健康的主要問題。基于設計師的社會責任感，決定以設計的力量為該問題提供解決思路。

如何運作

除了先前講到的以指尖采血的形式對人體凝血四項數據進行精準檢測，以及將檢測的數值反饋給醫生外，服務系統還將心血管疾病患者的飲食健康、運動健康、心理健康三大板塊納入服務系統中，能夠從這三個方面為患者提供引導與線下幫助。

設計過程

調研階段：團隊走訪十余家社區醫院與十家鄉村診所，與一線醫生、醫師以及護理人員進行深度的溝通交流，對病癥的預防和治理有了較為充分的認識。同時與部分患者進行深入的交流，細致的觀察患者的生活習慣、心理狀態，最終能夠較為寫實地生成用戶畫像，方便后續的研究。

定義階段：在對基本情況有了了解之后，團隊開始思考需要設計一款什么樣的產品來解決現有的問題，幫助心血管疾病患者健康而有尊嚴的生活。最終，他們將產品定義為“通過對技術和服務系統的整合，使心血管疾病患者足不出戶即可精準把握病情的產品”。

設計階段：為了進行技術攻關，引入了重慶大學生物工程學院博士研究生團隊，最終能夠實現凝血檢測設備的家用化。擁有四項國家級技術發明專利作為支撐，在充分研究用戶行為習慣后，將醫生、患者、患者家屬納入服務系統中，使得服務系統更加全面和完善。

迭代階段：在產生一定臨床數據和用戶反饋后，開始對產品的體量大小、服務系統進行改良和升級。

有何不同

成本優勢：由于技術路線不同，產品的硬件部分在保證檢測效果的前提下實現成本更低。與市面上競品相比，售價更為親民，在后期產品推廣和投放階段，具有較大的優勢，能夠真正滿足更多心血管疾病患者的需求。

服務優勢：相比于冰冷的單一硬件產品，凝心家用凝血檢測服務系統能夠以凝血檢測服務作為基礎，從患者的生活習慣、飲食習慣、用藥安全以及心理狀況等能夠對病況產生直接影響的因素提供服務，更加貼心，更有溫度感。操作優勢：產品與市面上競品相比，體量更小，患者可以通過指尖采血的形式進行檢測，檢測后自動將數據傳送給后臺。醫生可以在系統后臺生成的數據鏈看到病人的病況，并對病人的用藥等進行調整指導，操作更加便捷。

未來計劃

目前已經與重慶龍湖地產進行洽談，計劃硬件部分通過以其他產品替代的方式，先對服務系統進行驗證和檢測。在多個社區投放，收集用戶的反饋以及數據，首先迭代服務系統。同時，硬件部分在申請專業醫療器械執照，接受審批檢驗。在執照申請成功后，將硬件產品投入到已有的服務系統中，通過數據再對硬件部分進行升級。