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设计×生物跨学科成果“新型可穿戴蓝藻细菌发电材料”获戴森设计大奖全国冠军

原创 2021-08-27


8月25日,2021年戴森设计大奖(THE JAMES DYSON AWARD)中国区大赛结果正式揭晓,我院学生胡可儿和袁硕设计的“Power Mutualism电能共生体”从众多设计作品中脱颖而出,获得中国区冠军。

戴森设计大奖(James Dyson Award)创办于2005年,鼓励和支持全球富有创新和创业精神的青年学生为解决实际问题提供有价值的方案。戴森设计大奖的slogan是“寻找下一代发明家”,胡可儿团队获评全国冠军充分证明了这项发明的开创性与创新应用价值。


设计亮点

简单而言,胡可儿团队的项目“Power Mutualism电能共生体”是:一种可穿戴的自驱动型蓝藻细菌发电材料,为物联网和可穿戴传感网络时代的小型智能设备提供绿色能源。更详细而准确的描述是:电能共生体是一种可穿戴自驱动型蓝藻细菌发电材料,能够从人体汗液、阳光和空气中获取养分,通过蓝藻细菌光合和呼吸作用释放电能,为可穿戴小型智能设备提供绿色能源,使其摆脱外部电源充电、更换电池等限制,满足近未来可穿戴传感网络与物联网的分布式能源需求。

项目基于蓝藻细菌的生物机制与培育方法、微藻光伏电池的制备技术、电化学测量,以及生物可穿戴电子等诸多跨学科知识,才得以完成。跨学科性也因此成为这项发明最大的亮点之一,即:用设计思维进行生物工程和数字化手段的融合,在Power Mutualism电能共生体中,自然、人类、计算机,成为互惠共生的有机整体

可持续性则是这项发明成功突围的另一大亮点。胡可儿这样评价自己的作品:这个生物复合发电材料利用了蓝藻水华中“被遗弃”的丰富生物质和人体环境中“无用”的能量,从自然物质开始,最终变身清洁能源,并且在运作过程中减碳产氧,有助于缓解温室效应等环境问题,促进碳中和与可持续发展。

评委们则给出了更高评价。艺仓美术馆馆长暨联合创始人余光照认为:“人与自然的永续关系是当下不可回避的主题透过科技与设计,我们才有可能解开我们自己创造的生态困境。得奖作品在这个方向给出了丰富灵巧的思路,研究试错的过程体现了真正的工程师科研精神。” 戴森工程师胡宏飞评价道:“Power Mutualism电能共生体是一个很有趣的发明,充分体现了人与自然和谐相处的美好前景。随着电子科技的发展和穿戴设备的盛行,电池容量和续航问题一直是一个难以忽略的问题,并且电池的生产和回收过程中充满了对自然环境的挑战。利用蓝藻细菌光合作用释放电子的机制,这是一个很好的切入点,让人耳目一新。”



获奖背后

“电能共生体”项目始于2021年年初,也是胡可儿的本科毕业设计作品。

胡可儿对生物极其感兴趣,曾自学过生物化学、生物制造、生物医学工程方面的知识。“我一直想做关于可持续议题的生物设计作品,任丽莎老师的毕业设计课题‘材料共生设计’给了我一个认真尝试的机会。”胡可儿说,“一直以来人类获取能源的方式对大自然造成巨大的伤害,我们生产电、使用电的方式需要被重新设计。在思考如何使新能源促进移动智能设备发展时,近年来因为气候变暖而在全球性爆发的‘蓝藻水华’给了我灵感。”

通过研读大量论文,胡可儿关注到蓝藻细菌在光合作用过程中会释放电子,就像细胞级的绿色发电厂。利用无处安放的“水质污染物”蓝藻,供电方式能否被设计得更绿色、更轻负担、更移动?这成为了她想要去设计和实现的核心目标。

在同济大学设计创意学院任丽莎副教授、代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的材料体验实验室(Materials Experience Lab)周季玮博士研究生的全程指导下,以及同济大学环境科学与工程学院的张亚雷教授课题组的帮助下,经过多次实验与试错,在课题启动三个月之后的一天,她第一次成功捕获了蓝藻细菌产生的电子。

“那几天我每天泡在实验室里,直到有一天晚上11点多,测试当天制备的新材料,第一次观测到了蓝藻细菌复合材料产生的电能,看到电压终于达到预期的那一刻,很激动很兴奋,很感激能获得这么多跨学科的指导与帮助,更收获了继续下去的勇气和信心。胡可儿说。

蓝藻细菌发电材料的原型经过三次迭代之后更适宜人体穿戴,胡可儿又将材料的结构改变为“wearable”可穿戴型,并通过面料吸水性等性能测试,从10余种材料中筛选出具有快速单向导湿性能的水分管理织物,作为构建电池盐桥的重要部分。

为了使电能共生体系统的效率更高,在另一位团队成员的帮助下引入了参数化生成式设计,最大化利用人体汗液、加速电池阴阳极之间的离子交换,使能量循环更高效。最后,经过3D建模、制版、丝网印刷、数字切割等工艺流程制作了最终成衣,用手臂上的灯光反馈来表达可穿戴蓝藻电池的运行状态。


「未来可期」

据IDC最新发布的《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告》显示,2021年第一季度中国可穿戴式设备市场出货量为2729万台,同比增长42.6%。然而,可穿戴式设备现有的供电方式有诸多限制,外接电源或定期充电限制了使用者的活动,电池的重量增加了设备的负担,并且现阶段采用的硅基材料体感较差。对比于功率大、有序性强、移动性弱的低熵能源,Power Mutualism电能共生体是一种功率小、数量多、移动性强的高熵能源,帮助智能电子设备从“中心化的电网传输”向“分布式的离网离线自供电”发展。

作为中国区的冠军作品,Power Mutualism电能共生体后续将登上戴森设计大奖的国际舞台,与更多优秀作品竞逐国际大奖。国际大奖入围名单将于10月13日公布,今年的国际总冠军也将于11月17日揭晓。




编辑 | 榴莲

责编 | 伊文

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