强大的振动

压电材料在改变形状时会产生电流，通常是被挤压或撞击。来自剑桥大学的Sohini Kar-Narayan博士致力于纳米级压电技术的研究，这种技术足够敏感，可以对从环境中获取的微小振动做出反应。输出功率很小，但足以为衣服上、环境中甚至嵌入体内的微型传感器供电。Sohini告诉Chris Smith，这种技术可以通过你的心跳来驱动血糖探测器，或者仅仅通过汽车驶过时的振动来驱动房间里的温度传感器。

另外，戴夫安塞尔测试他自己的压电晶体，他在家里!

Sohini:你听说过生产大能源和寻找大能源解决方案。我在光谱的另一端工作，寻找小的能源解决方案。特别是，我正在考虑从我们的环境中收集能量来为不需要很多能量的设备供电。你可能会想，小功率应该容易得多，但事实并非如此，因为随着设备尺寸的缩小，你通常使用的电池，例如为它们供电，它们不能完全跟上。因此，为了使这项技术进步，我们需要寻找替代能源。这是压电材料。压电材料是一类特殊的材料，当你扭曲它们的形状时，基本上，字面上，当你挤压它们时，它们会产生电荷，然后你可以通过电路访问它。反之亦然。你可以把电燃料加到压电材料上，它就会改变形状。

克里斯:这就是你钟表里的水晶计时的方式吗?

Sohini -当然，甚至你的麦克风的工作方式，它基本上是从声音转换振动。

克里斯-打火机，烧烤打火机。

Sohini -当然，是的。

克里斯-所以，挤压晶体。

Sohini -没错，本质上是为了产生电压。

克里斯-为什么会这样?如果我挤压一个晶体，为什么挤压晶体会产生一些电呢?

Sohini -所以，某些晶体可以被认为是由电荷组成的，这些电荷在它们内部是分开的，我们称之为偶极子。想象一个带正电荷和负电荷的晶体。本质上，当你挤压它的时候，你改变了正电荷和负电荷的位置。所以本质上，你可以想象你在表面上产生了更多的电荷我想Ginny已经演示过了。

金妮-是的，我们今天下午一直在想这件事我们认为这是一件很难想象的事情。所以，我们想出了一个你在家也能想象得到的方法。好的，我们这里有一个枕套你可以想象这就像晶体里的一个分子。所以，我要让戴夫握住枕套的一端，他需要握住另一端。

戴夫:那么，真正的晶体将由数以百万计的这样的晶体组成，它们彼此相邻排列，并在每个可能的方向堆叠。

金妮——那么，如果你把枕套拉紧——现在，我们这里有一个带加号的乒乓球。所以这是一个正电荷。所以，如果你想象我们的分子的正电荷在一边，像这样，那么如果我们通过移动你的手来改变晶体的形状…它掉下来了。但是你可以看到，如果你带…

戴夫:所以，它的侧面压扁了它，乒乓球正朝它滚去。所以，我们朝着观众的方向压扁了乒乓球的方向。如果我们压扁另一边，乒乓球就会移动。

金妮:那么，你可以想象一下，如果晶体中的每个分子都在同一个方向上被压扁，那么电荷就会从晶体的一边移动到另一边。

戴夫:所以，如果你想象一下，每个分子都有一点电荷从一边移动到另一边然后下一个分子，同样的一点移动，同样的一点移动。所以总的来说，电荷可以有效地从晶体的一边移动到另一边。那块是相当大的电压，你可以用它产生火花的气体打火机。

克里斯-如果你从晶体上取下电压，那么这些电荷就会像在烧烤打火机里一样在电路中流动，这不是会让晶体失去电荷吗?

戴夫-然后如果你让晶体松弛电荷就会向另一个方向流动然后你就有了第二个火花因为当你压碎晶体的时候会有一个火花当你打开晶体的时候电流会向另一个方向流动会有另一个火花。

Chris: Sohini，你是说这是一种我们可以利用它来提取能量的方法，否则我们会把这些能量浪费在环境中。

Sohini，我是说，这才是关键。这是我们可以获得的能量。它被广泛使用。它几乎无处不在。你可能总是处在震源附近。所以，这似乎是一个很好的开始。我需要强调的是，我们试图利用或收获的能量实际上是非常小的。但这很重要，因为如果你想到小能量的应用，它们真的是无限的。所以，你可能听说过的一件大事是物联网，它本质上是通过传感器将所有东西连接起来。

克里斯:前几天有人告诉我们，他在网上买了一个慢炖锅，他说他发现他可以在工作时拨打电话打开慢炖锅。

Sohini -没错。

克里斯-但后来他发现每个人的慢炖锅的登录名和密码都是一样的。然后他说:“我可以毁掉别人的炖牛肉，只要我知道在哪能找到它。”

Sohini -没错。我的意思是，说实话，物联网有很多安全问题，但这可能是一个有待讨论的问题。

Chris -但问题是，你怎么给他们供电?

Sohini:没错，关键是，你可以从两个角度来看待能源危机。我们正在耗尽化石燃料，我们需要寻找可再生能源。因此，一种方法是寻找生产能源的新方法，另一种方法是努力节约能源。所以，我试图收集的能量不一定会照亮这座建筑，但它可以照亮这座建筑中数百万个传感器，这样你就可以节省高达30%的电力，这听起来很划算。

克里斯:那么，这是不是说，气流从某个东西上飘过或者如果你这么做了，在灯泡上，你可以在灯泡附近得到气流，因为它很热。你可能会有振动什么的。

Sohini:当然可以。就像我说的，这些是无处不在的。所以，你可以想象把它贴在洗衣机上。它开着的时候会振动。

克里斯-所以，任何运动的东西，你都可以从中获得能量。

Sohini -是的，包括你自己。我的意思是，我认为这仍然有点遥远，但原则上，如果你能大规模生产这些设备，如果你能把它集成到你的衣服上，这是很有可能的。当你走路的时候，当你移动的时候，你可以产生足够的电来给你的手机充电。

克里斯-那样走路会很困难吗?

Sohini:正如我所说，压电材料已经存在很长时间了，通常，研究都集中在笨重的陶瓷晶体上，就像你说的那样，很难移动。我的研究方向是纳米压电材料。我们正在研究非常少量的这些材料，我们的想法是它们应该能够融入环境，融入你的衣服，并且在所有实际用途中几乎是隐形的。所以你不会意识到它们的存在，但它们在不断地收集能量。

金妮:那么，我们实际上有一个戴夫昨天做的超大体积压电晶体的例子。真让人印象深刻，戴夫。你是怎么做这个的?

戴夫-我基本上是用酒石做的如果你把它加热溶解，它就是一种酸然后我把它和碳酸钠反应。我花了大约3个小时小心地将两者混合在一起，最终，溶液变得清晰。我让它冷却一晚上，你就会得到这些非常漂亮的大晶体。

金妮:所以，它们看起来有点像一个巨大的盐晶体。你可以在侧面看到一些漂亮的几何图形。

戴夫:因为晶体是由很多很多酸和分子排列成一个非常有组织的形状。一遍又一遍地重复。你能看到边缘的原因是如果你有几十亿个这样的物体在一起的话，它会在很大的范围内被放大。你会得到这些尖锐的形状，因为这是下面基本晶体的形状。

金妮——那么，我们该怎么办?我不确定我相信那些是压电的。它们在我看来就像水晶。

戴夫:我花了一段时间才说服自己，但现在，我相当肯定他们是。我做的是，它有点脆弱，所以我把它放在这里。我把一个放在虎钳里，我把两个锡纸电极连接到这个晶体上，我把它连接到一个音频放大器上，然后把它连接到扬声器上。

金妮:那么，这个副钳就是用来固定住它并固定住连接在上面的电极。

戴夫:是的，我们的想法是，任何产生的电信号都会被放大器放大，然后变成你能听到的声音。

金妮——让我们试一试，好吗?

戴夫:所以实际上，我做了一个非常非常垃圾的麦克风。通过更好的工程技术，你可以生产出一个完美的麦克风，实际上，很多便宜的麦克风都是这样做的。

Chris -但关键是，你在挤压晶体，在晶体上施加一个力，就像你说的，移动电荷，使它们流向电极，流向放大器，我们听到的咔嗒声，是电流从晶体中涌出的浪涌。

戴夫:完全正确。

金妮:但是我们在那里没有产生很多电，而且它是一个相当大的晶体。

戴夫:所以，诀窍是a，如果你能把晶体再弯曲一点，你就会得到更多的电压。而且，如果你使用更好的材料，我认为这就是你在那里所做的。

克里斯-你的更好吗?

Sohini -我想是的。事实上，许多关于压电材料的研究都与陶瓷有关。戴夫刚刚给你们展示的是一种陶瓷材料当你想到陶瓷时，脑海中浮现的画面是它们很脆，很硬，这正是问题所在。我们说的是一种能量收集器，它可以承受反复的振动，或者加热，你可以这样想。所以，重要的是这种材料能够承受这种程度的冲击。陶瓷材料的问题是它们很硬，因此，它们很容易发生机械故障。因此，我研究的是压电聚合物，这是一种研究较少的材料。但它们非常有趣，因为它们是聚合物，它们是柔性的，这意味着它们可以承受更多的击打和撞击。与陶瓷相比，它们有几个优点。例如，它们实际上相对便宜且易于制造，如果你想制造商业设备，这一点很重要。

他们会产生多少电?

Sohini -所以，有了这些纳米发电机，我们看到的是在10纳瓦到1微瓦之间的任何地方，我知道这听起来不是很多，但是现在很多无线传感器，它们的功耗也在下降。所以，它可能足以为这些设备供电。你需要记住的另一件事是，很多这些设备并不需要一直开着。所以，想象一下在你体内植入一个血糖监测器。你不需要每秒钟读取你的葡萄糖。我是说，你可能想这么做，但可能没必要。但是你可能能够产生足够的能量，只要你的血液流过这些纳米发电机中的一个，每六个小时发出一个信号，这就是你真正需要的。

克里斯-你离这儿有多远?你真的能用这个吗?

Sohini:那么，我可以给你们展示我带来的一个设备，希望它能起作用。如果我把它举起来，你看到的这个小圆圈由大约100亿个压电聚合物纳米线组成。

克里斯:为了方便在家的人，我们得到了一些东西，大约2英寸长，1英寸宽的玻璃幻灯片。中间的圆是什么?

Sohini -圆圈是装置。这个圆的直径大概是2厘米。它大约有60微米厚，这意味着它和你的头发一样厚。就像我说的，它被这些压电聚合物纳米线包裹着。如果我能让它工作，它应该对我的触摸做出反应，这表明它产生了电压。

克里斯:在盒子的顶部，我们有很多红色的小led灯，只要你一碰它，它们就会亮起来。

Sohini -没错。

克里斯-它们都是由你驱动的，触摸设备并按下它。

Sohini -所以，这实际上是一个指示，你产生了一些电压，它对我触摸的程度很敏感。轻拍一下就可以了。用力一推就能达到这个效果。所以，是的，他们非常敏感。

克里斯-所以，这就像世界上最强壮的人的比赛，你必须用一把大锤来砸东西，但是是针对显微镜下的人。

Sohini -差不多吧，但公平地说，对于那个特殊的设备，你需要轻敲它，不太用力，大约20分钟就能产生足够的电力来驱动LED。所以，坐在那里敲20分钟听起来不太令人兴奋。但关键是，如果你能提高生产水平，如果你能制造更多这样的产品，并将它们串联起来，那么你就能把时间缩短很多。这才是我们真正的目标——能够以廉价、可复制和可靠的方式制造出大量这样的产品。

Chris -有问题吗?

马尔科姆-我叫马尔科姆，来自朗斯坦顿。为什么你不能在按钮上放一个重物，让它保持大约20分钟来给LED供电呢?

Sohini:这是一个非常好的问题，我将带你回到金妮和戴夫刚刚做的演示。关键是，如果你留下砝码，是的，你会产生一些电荷，但仅此而已。为了使电流在电路中流动，你需要能够在很长一段时间内重复这样做。因此，通过在材料上来回移动，就产生了所谓的交流电。然后你可以纠正它，用它来驱动一些东西。但是在那里留下一些东西只会产生一个电流尖峰，仅此而已。但是你想要这个重复工作。

我是来自剑桥的Jasmine。你能做的最小的触碰是什么?比如，什么设备可以轻轻触摸，而且效果很好?

Sohini:你刚才看到的这些压电材料，它们对触摸非常敏感，而纳米压电材料对很小的力非常敏感。实际上，我们正在研究应用，你可以把这些东西放入生物样本中，这样你就可以检测细胞运动。所以，非常非常小的力，你甚至不会意识到，这些力可以把它们捡起来。是的，答案是，非常小的力如果我应该给它一个数字，我们讨论的是皮牛顿或更小的尺度。

克里斯-所以，非常小。

Sohini -很小，是的。

Chris -还有问题要问Sohini吗?

罗文，剑桥大学的罗文。所以，有了这种材料，你几乎可以在任何电子设备中使用它。当一个设备像衣服等一样完成后，从一个设备回收到另一个设备有多容易?

Sohini -这又是一个非常好的问题。我认为这种发电机的缺点之一是它依赖于实际的振动源，而振动源在本质上是间歇性的。所以很明显，如果你的鞋子里有一个这样的东西，你就不会整天以同样的速度走路。因此，将其移动到不同的应用程序中可能不会是微不足道的。所以，我想说，这些纳米发电机的设计需要考虑到特定的应用。

霍莉-我是霍莉，来自佛罗里达。人们每天都使用电话。你们能把这些东西放到手机屏幕上吗?

Sohini:事实上，我认为有一个类似的原型正在开发中，你可以把它放在键盘的后面，因为当你疯狂地打字时，你可以使用这种能量。它的美妙之处在于你可以将它与任何东西相结合。是的，我可以看到在触摸屏上的应用，你可以通过滑动或点击获取能量。

戴夫:我想手机在变得非常有用之前必须要提高效率，因为它们现在使用的是瓦特，而不是微瓦。

Sohini -没错。抱歉，所以是的，所以我应该说，你从中得到的能量仍然是有限的，因为没有那么多的能量可以收获。所以，这可能会给你的手机提供一个功能，但不一定会给你的手机充电。话虽如此，正如你正确指出的那样，我们正处于一个非常独特的阶段，现代电子产品的功耗已经降低到这样的程度，现在可以慢慢地从我们环境中的振动中获得动力。所以，谁知道呢?也许有一天。

克里斯:那么，如果你能拥有一个神奇的设备，你会选择什么?

Sohini -天哪!我能马上想到很多，但我对生物医学应用真的很感兴趣。所以，微小的可植入的传感器，它可以在你的血管中流动，然后它可以提供关于你的血压，体温等重要信息。我认为这将对医疗保健产生巨大影响。

Ginny:我收到了一个来自社交媒体的问题，Steven Pates问:“英国如何才能100%实现能源自给自足?”所以，他希望我们不要进口石油，煤炭，什么都不要。所以，我认为这是整个小组的问题。你认为这在未来会发生吗?还有多远?谁想先说，理查德?

理查德:我今天跟别人说，不信任法国人的代价是什么?如果我们不依赖对法国的进口和出口，我们将在额外的装备上花费很多钱。所以实际上，我认为100%的能源销售效率不是一个好的目标。我认为我们应该与邻居分享。

金妮——但是你认为如果我们想要或者不得不这样做的话，会有可能吗?

当然，但这可能不是最便宜的解决方案。

Sohini—我认为随着我们走向未来，节能将变得更加重要。同时，随着越来越多的城市建设，拥有智能环境的概念将从根本上减少你所能想到的从资源管理到垃圾收集的几乎所有事情的能源消耗。所以，如果你在环境中有很多传感器，它们可以更有效地相互沟通，同时，使能源使用更可持续，然后这将产生影响。