可穿戴設(shè)備即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備。可穿戴設(shè)備不僅僅是一種硬件設(shè)備，更是通過(guò)軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，可穿戴設(shè)備將會(huì)對(duì)我們的生活、感知帶來(lái)很大的轉(zhuǎn)變。

2012年因谷歌眼鏡的亮相，被稱作“智能可穿戴設(shè)備元年”。在智能手機(jī)的創(chuàng)新空間逐步收窄和市場(chǎng)增量接近飽和的情況下，智能可穿戴設(shè)備作為智能終端產(chǎn)業(yè)下一個(gè)熱點(diǎn)已被市場(chǎng)廣泛認(rèn)同。2013年，各路企業(yè)紛紛進(jìn)軍智能可穿戴設(shè)備研發(fā)，爭(zhēng)取在新一輪技術(shù)革命中分一杯羹。2022年12月2日，人工智能賦能的可穿戴設(shè)備入選“智瞻2023”論壇發(fā)布的十項(xiàng)焦點(diǎn)科技名單。

可穿戴設(shè)備多以具備部分計(jì)算功能、可連接手機(jī)及各類(lèi)終端的便攜式配件形式存在，主流的產(chǎn)品形態(tài)包括以手腕為支撐的watch類(lèi)(包括手表和腕帶等產(chǎn)品)，以腳為支撐的shoes類(lèi)(包括鞋、襪子或者將來(lái)的其他腿上佩戴產(chǎn)品)，以頭部為支撐的Glass類(lèi)(包括眼鏡、頭盔、頭帶等)，以及智能服裝、書(shū)包、拐杖、配飾等各類(lèi)非主流產(chǎn)品形態(tài)。

步行不僅可以增強(qiáng)您自身的能量，還可以潛在地增強(qiáng)您的可穿戴電子設(shè)備的能量。大阪城市大學(xué)的科學(xué)家們?cè)谧猿潆娍纱┐髟O(shè)備方面取得了重大進(jìn)展，他們發(fā)明了一種動(dòng)態(tài)放大鏡增強(qiáng)型壓電振動(dòng)能量收集器，該能量收集器可以將脈沖振動(dòng)(例如人類(lèi)行走)產(chǎn)生的能量放大約 90 倍，同時(shí)保持與目前開(kāi)發(fā)的能量收集器一樣小。結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

如今，人們攜帶著多種電子設(shè)備，例如智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)會(huì)越來(lái)越普及。由此產(chǎn)生的對(duì)這些設(shè)備更高效充電的需求增加了人們對(duì)能量收集的關(guān)注，能量收集是一種將熱能和光能等能量轉(zhuǎn)化為可為小型設(shè)備供電的電能的技術(shù)。一種稱為振動(dòng)能量收集的能量收集形式被認(rèn)為非常實(shí)用，因?yàn)樗梢詫⒄駝?dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并且不受天氣或氣候的影響。

大阪都立大學(xué)工學(xué)研究科副教授 Takeshi Yoshimura 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 壓電振動(dòng)能量收集器，其直徑僅約 2 厘米，帶有稱為動(dòng)態(tài)放大鏡的 U 形金屬部件. 與傳統(tǒng)收割機(jī)相比，新型收割機(jī)可將人類(lèi)步行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖振動(dòng)轉(zhuǎn)換成的能量提高約 90 倍。

該團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)利用壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量收集器，壓電效應(yīng)是一種特定類(lèi)型的材料響應(yīng)施加的壓力而產(chǎn)生電荷或電壓的現(xiàn)象。到目前為止，他們已經(jīng)成功地從恒定頻率的機(jī)械振動(dòng)中產(chǎn)生微瓦級(jí)的電力，例如電機(jī)和洗衣機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)。然而，當(dāng)施加的振動(dòng)不穩(wěn)定且脈沖時(shí)，例如人類(lèi)行走產(chǎn)生的振動(dòng)，這些收割機(jī)的發(fā)電量會(huì)急劇下降。

振動(dòng)能量收集器的最大輸出電壓發(fā)生在共振狀態(tài),因此其諧振頻率應(yīng)與環(huán)境振動(dòng)頻率一致.針對(duì)振動(dòng)能量收集器與環(huán)境頻率不匹配的問(wèn)題,采用單自由度模型分析了懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量收集器諧振頻率等性能,加工并測(cè)試了壓電式的微型振動(dòng)能量收集器樣機(jī),結(jié)果諧振頻率的誤差最大為6%.通過(guò)質(zhì)量調(diào)節(jié)方法進(jìn)一步將樣機(jī)的諧振頻率調(diào)節(jié)了10.5Hz的寬度.針對(duì)50Hz的振動(dòng)環(huán)境,將諧振頻率為58.7Hz的樣機(jī)調(diào)節(jié)到了50.4Hz,輸出電壓提高了4倍.

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)并在收割機(jī)下方安裝了 U 形振動(dòng)放大組件。該組件可以在不增加設(shè)備尺寸的情況下提高發(fā)電量。該技術(shù)有望通過(guò)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)(包括步行運(yùn)動(dòng))產(chǎn)生電力，從而為智能手機(jī)和無(wú)線耳機(jī)等小型可穿戴設(shè)備供電。

吉村教授總結(jié)道，“由于電子設(shè)備有望變得更加節(jié)能，我們希望這項(xiàng)發(fā)明有助于實(shí)現(xiàn)自充電的可穿戴設(shè)備。”