【導讀】清晨出門前，你或許會因為智能手表沒充電而翻找充電器，或是因表帶硌得手腕發(fā)紅而摘下它——這是絕大多數(shù)可穿戴設備用戶的日常痛點。傳統(tǒng)可穿戴設備的“剛性體質”與“短命續(xù)航”，讓它更像一個需要遷就的工具，而非融入生活的伙伴。但如今，柔性熱電材料的突破性進展，正在徹底改寫這一局面：未來的可穿戴設備，可能是貼在皮膚上的“隱形貼片”、織在衣服里的“發(fā)電纖維”，甚至是貼合關節(jié)的“柔性繃帶”，它們既能完美適配人體曲線，又能靠體溫持續(xù)發(fā)電，讓“一天一充”成為過去時。這場材料革命，不僅將可穿戴設備從“工具化”推向“生活化”，更讓科技真正“貼”近人體。
一、傳統(tǒng)可穿戴的“硬傷”：形狀與續(xù)航的雙重枷鎖
在可穿戴設備普及的背后，隱藏著兩大未被徹底解決的核心問題：形狀的“僵化” 與續(xù)航的“短命” 。
傳統(tǒng)可穿戴設備（如智能手表、手環(huán)）的核心部件（電池、傳感器、屏幕）均采用剛性材料，導致其形態(tài)固定為“矩形表盤+硬質表帶”。這種設計的弊端顯而易見：長時間佩戴會硌壓手腕，運動時設備易滑動，影響心率、血氧等監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性；而對于孕婦、老人等特殊人群，剛性設備甚至可能造成皮膚壓迫損傷。更關鍵的是，剛性結構限制了設計創(chuàng)新——科幻電影中“皮膚貼片式健康監(jiān)測器”“智能衣物”等設想，因材料限制始終無法落地。
續(xù)航問題則更為突出。為了縮小體積，傳統(tǒng)可穿戴設備的電池容量普遍較小（如智能手表電池容量約300-500mAh），即使采用低功耗芯片，也需“一天一充”。對于經(jīng)常出差、運動的用戶來說，“忘充電”意味著設備罷工，嚴重影響使用體驗。有調查顯示，63%的可穿戴設備用戶因續(xù)航問題減少了使用頻率，而“續(xù)航”也成為用戶更換設備的首要考慮因素。
二、柔性熱電材料的“破局術”：從實驗室到應用的三大突破
柔性熱電材料的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)可穿戴的“硬傷”提供了關鍵方案。其核心原理是通過材料的柔韌性實現(xiàn)形態(tài)適配，通過熱電效應（溫差發(fā)電）實現(xiàn)能量自給。近期，中國科研團隊在這一領域的三項突破，將柔性熱電材料從實驗室推向了應用前沿。
1. 北京大學“熱電橡膠”：能拉伸的“發(fā)電皮膚”
北京大學雷霆教授團隊研發(fā)的“熱電橡膠”，是全球首個實現(xiàn)高柔韌性與高熱電效率兼顧的柔性材料。該材料以納米纖維網(wǎng)絡為“骨架”，加入偶氮類交聯(lián)劑增強彈性，再通過特殊摻雜劑（如聚苯胺）優(yōu)化導電性能。這種設計讓材料具備了驚人的柔韌性——能拉伸至原長的850% （相當于一根10厘米的材料能拉到85厘米），且拉伸時電導率不會下降，反而因納米纖維的定向排列略有提升。更重要的是，其室溫熱電優(yōu)值（ZT值）達到0.49，接近現(xiàn)有柔性熱電材料的極限（ZT值越高，發(fā)電效率越高）。
“熱電橡膠”的突破，解決了傳統(tǒng)柔性材料“拉伸后性能衰減”的痛點。例如，傳統(tǒng)柔性熱電材料拉伸200%后，電導率可能下降50%以上，而“熱電橡膠”拉伸500%后，電導率仍能保持初始值的90%。這意味著，它能完美適配人體關節(jié)（如手腕、肘部）的活動，即使在劇烈運動時，也能保持穩(wěn)定的發(fā)電效率。
2. 中科院電工所“發(fā)電薄膜”：薄如蟬翼的“體溫發(fā)電機”
中科院電工研究所團隊研制的“發(fā)電薄膜”，則將柔性熱電材料的“輕薄化”推向了新高度。該薄膜以硒化銀納米線（高導電、高熱電系數(shù)）為功能層，與石墨烯（增強機械強度）復合，制成厚度僅幾微米的柔性發(fā)電裝置——薄如蟬翼，貼在皮膚上幾乎感覺不到存在。
這種薄膜的核心優(yōu)勢是高效捕捉人體與環(huán)境的溫差。人體正常體溫約37℃，而環(huán)境溫度（如室內25℃、室外10℃）與人體存在溫差，“發(fā)電薄膜”能將這種溫差轉化為電能。實驗數(shù)據(jù)顯示，10平方厘米的薄膜，在37℃（人體）與25℃（環(huán)境）的溫差下，能輸出約10μW的功率——足以驅動小型傳感器（如心率傳感器、血氧傳感器）持續(xù)工作。更關鍵的是，它的發(fā)電過程完全“被動”，無需額外能源，只要人體有溫度，就能持續(xù)發(fā)電。
3. 中科院上海硅酸鹽所：讓“脆性材料”變柔韌的“缺陷工程”
碲化鉍基材料是傳統(tǒng)熱電材料中的“性能王者”（室溫ZT值可達1.0以上），但因脆性大、無法彎曲，一直無法用于可穿戴設備。中科院上海硅酸鹽研究所團隊通過缺陷工程（在材料中引入可控缺陷），成功讓碲化鉍基材料具備了塑性——能彎曲成半徑1毫米的圓弧而不破裂，同時室溫ZT值提升至1.05，創(chuàng)下了柔性碲化鉍基材料的新高。
這一突破的意義在于，將高性能熱電材料與柔韌性結合。傳統(tǒng)柔性熱電材料（如有機聚合物）的ZT值通常低于0.3，而碲化鉍基材料的ZT值可達1.0以上，能在更小的溫差下產生更多電能。例如，在37℃（人體）與28℃（環(huán)境）的小溫差下，柔性碲化鉍基材料的發(fā)電功率是有機聚合物材料的3-5倍，更適合室內、春秋季等溫差較小的場景。
三、可穿戴設備的“變形記”：從“工具化”到“生活化”的場景革命
柔性熱電材料的突破，正在催生可穿戴設備的“形態(tài)革命”。未來的可穿戴設備，將不再是“戴在手上的表”或“套在手腕上的環(huán)”，而是融入人體、融入生活的“隱形伙伴” 。以下三大場景，將成為柔性熱電可穿戴設備的“主戰(zhàn)場”。
1. 貼身穿戴：“隱形貼片”監(jiān)測全時段健康
最具想象力的應用，是皮膚貼片式可穿戴設備。例如，中科院電工所的“發(fā)電薄膜”可制成0.1毫米厚的貼片，貼在胸口、手臂等部位，通過體溫與環(huán)境的溫差發(fā)電，為內置的傳感器（心率、血壓、血氧、心電）供電。這種貼片的優(yōu)勢在于：完全貼合皮膚，不會像傳統(tǒng)手表那樣硌壓皮膚；持續(xù)發(fā)電，無需充電，能實現(xiàn)24小時健康監(jiān)測；隱形化，貼在衣服下幾乎看不到，不會影響外觀。
對于心臟病患者來說，這種貼片能實時監(jiān)測心電信號，一旦出現(xiàn)異常（如心律失常），立即通過藍牙向手機發(fā)送警報，為急救爭取時間；對于健身愛好者，它能監(jiān)測運動時的心率、血氧飽和度，提醒用戶避免過度運動；對于老人，它能監(jiān)測睡眠時的呼吸頻率、翻身次數(shù)，預防跌倒、猝死等意外。
2. 衣物融合：“智能衣服”成為“移動發(fā)電站”
柔性熱電材料與衣物的結合，將讓“智能衣服”從概念走向現(xiàn)實。例如，北京大學的“熱電橡膠”可制成纖維，織入運動服、外套的面料中。當人體運動時，身體與環(huán)境的溫差（如運動時體溫升高至38℃，環(huán)境溫度25℃）會讓“熱電纖維”產生電能，為衣服上的智能模塊（如GPS定位、運動數(shù)據(jù)監(jiān)測、藍牙通訊）供電。更先進的設計，甚至能將多余的電能存儲在衣服內的柔性電池中，為手機、耳機等設備無線充電。
這種“智能衣服”的應用場景非常廣泛：對于戶外愛好者，它能在野外為手機充電，解決“無電焦慮”；對于運動員，它能實時監(jiān)測肌肉疲勞度、體溫，預防運動損傷；對于上班族，它能監(jiān)測久坐時的 posture，提醒用戶起身活動，預防腰椎病。
3. 特殊場景：“定制化”設備適配極端需求
柔性熱電材料的“可定制性”，使其能滿足特殊場景的需求。例如，針對運動員的“貼體監(jiān)測帶”，可根據(jù)肌肉線條定制形狀，貼在大腿、小腿等部位，監(jiān)測肌肉收縮頻率、力量分布，幫助運動員優(yōu)化訓練方案；針對醫(yī)護場景的“柔性監(jiān)測片”，可貼在手術傷口附近，監(jiān)測傷口溫度、滲液情況，預防感染；針對殘障人士的“智能假肢”，可通過柔性熱電材料為假肢的電機供電，實現(xiàn)更自然的動作。
四、未來展望：柔性熱電如何重構可穿戴生態(tài)
柔性熱電材料的突破，只是可穿戴設備變革的開始。未來，隨著材料技術的進一步升級，可穿戴設備將進入“全場景、全時段、全智能”的新階段。
1. 材料升級：更高效率，更低成本
目前，柔性熱電材料的ZT值仍有提升空間（目標是達到1.0以上），而成本（如碲化鉍基材料的成本較高）也是制約其普及的因素。未來，科研團隊將通過優(yōu)化材料配方（如加入碳納米管、 MXene等新型材料）、改進制備工藝（如印刷電子技術），進一步提高ZT值，降低成本。例如，若ZT值達到1.0，10平方厘米的薄膜在37℃與25℃的溫差下，能輸出約20μW的功率，足以驅動更復雜的傳感器（如血糖監(jiān)測）。
2. 技術融合：“熱電+光伏”實現(xiàn)雙重發(fā)電
柔性熱電材料與柔性光伏材料（如有機太陽能電池）的結合，將實現(xiàn)“雙重發(fā)電”——白天通過光伏材料吸收陽光發(fā)電，晚上通過熱電材料吸收體溫發(fā)電，徹底解決續(xù)航問題。例如，“智能衣服”的背部可織入柔性光伏纖維，袖子織入熱電纖維，白天用光伏發(fā)電，晚上用熱電發(fā)電，實現(xiàn)24小時供電。
3. 生態(tài)構建：“設備聯(lián)動”讓生活更智能
未來，柔性熱電可穿戴設備將與手機、家居設備、汽車等形成“智能生態(tài)”。例如，“智能衣服”收集的運動數(shù)據(jù)，可同步到手機的健康APP，為用戶提供個性化的健身建議；“皮膚貼片”監(jiān)測的心率數(shù)據(jù)，可聯(lián)動家居空調，自動調整溫度，提升睡眠質量；“智能假肢”的運動數(shù)據(jù)，可聯(lián)動汽車的自適應座椅，調整座椅角度，提高駕駛舒適度。
結語：從“工具”到“伙伴”，科技真正“貼”近人體
柔性熱電材料的革命，本質上是讓可穿戴設備從“適應科技”轉向“適應人體” 。它解決了傳統(tǒng)可穿戴設備的“硬傷”，讓設備更貼合、更持久、更智能，真正成為生活的“伙伴”而非“工具”。
這場革命，不僅將改變可穿戴設備的形態(tài)，更將改變人類與科技的關系——科技不再是“外來者”，而是“融入者”，它將像衣服、鞋子一樣，成為人體的延伸，為人類的健康、生活、工作提供更貼心的支持。
對于消費者來說，未來的可穿戴設備，可能不再是“必須戴的表”，而是“想戴的貼”；對于企業(yè)來說，柔性熱電材料將成為可穿戴設備的“核心競爭力”，誰能率先實現(xiàn)規(guī)模化應用，誰就能搶占市場先機。
這場材料革命，才剛剛開始。
推薦閱讀：
SiC如何重塑工業(yè)充電設計？隔離DC-DC拓撲選型指南
德州儀器電源路徑充電技術解析：如何實現(xiàn)電池壽命與系統(tǒng)性能的雙贏？
力芯微ET75016激光驅動芯片：重新定義TOF 3D傳感精度與效率
多維科技TMR13Nx磁開關芯片：重新定義智能筆360°無死角喚醒體驗
Littelfuse推出DO-214AB封裝2kA浪涌保護晶閘管，革新電源安全設計
