冠軍作品—電能共生體

設(shè)計(jì)者：（同濟(jì)大學(xué)）胡可兒、袁碩

它是什么

電能共生體（Power Mutualism）是一種輕質(zhì)、柔性、可移動(dòng)、綠色的可穿戴自驅(qū)動(dòng)型藍(lán)藻細(xì)菌發(fā)電材料，能夠從人體汗液、陽(yáng)光和空氣中獲取養(yǎng)分，通過藍(lán)藻細(xì)菌光合和呼吸作用釋放電能，為可穿戴傳感或物聯(lián)網(wǎng)的小型智能設(shè)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(yùn)作過程中能減碳產(chǎn)氧，有助于緩解溫室效應(yīng)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)計(jì)靈感

從定點(diǎn)的電話亭到移動(dòng)的手機(jī)，電器在變小、變輕、離網(wǎng)、離線，近未來將是物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)。但現(xiàn)有的供電方式構(gòu)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(dòng);電池占據(jù)可穿戴設(shè)備的大部分重量，增加負(fù)擔(dān);硅基材料體感差。最重要的是，大部分獲取能源的方式都對(duì)自然造成了巨大的傷害：化石燃料發(fā)電排放溫室氣體和有毒物質(zhì);電網(wǎng)在層層分配傳輸過程中產(chǎn)生隱形浪費(fèi);硅基電池原料不可降解……設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在思考如何使新能源促進(jìn)移動(dòng)智能設(shè)備發(fā)展時(shí)，近年來世界各地爆發(fā)的“藻華”給了他們靈感。他們發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)菌在光合作用過程中會(huì)釋放電子，就像細(xì)胞級(jí)的發(fā)電廠。利用無處安放的“自然垃圾”藍(lán)藻，電能否被設(shè)計(jì)得更綠色、更輕負(fù)擔(dān)、更移動(dòng)？

如何運(yùn)作

利用藍(lán)藻細(xì)菌在光合作用中釋放電子的生命機(jī)制，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了完整的可穿戴自驅(qū)動(dòng)型電池結(jié)構(gòu)，具體的技術(shù)運(yùn)作有：

1、基于生物光伏電池的基本結(jié)構(gòu)，該發(fā)電材料具備產(chǎn)生電子的陽(yáng)極、催化氧化還原反應(yīng)的陰極，和進(jìn)行離子交換的鹽橋。該結(jié)構(gòu)能捕獲藍(lán)藻細(xì)菌的電子，每12平方厘米（相當(dāng)于一塊奧利奧餅干的面積大?。┊a(chǎn)生0.3伏～0.4伏的電壓;

2、單向?qū)竦乃止芾砜椢锵褚罕靡粯幼匀坏卣T導(dǎo)水分子連續(xù)、高速地從皮膚表面向外流動(dòng)，從而促進(jìn)電池的化學(xué)反應(yīng);

3、人體汗液作為自驅(qū)動(dòng)力觸發(fā)離子交換，構(gòu)成了人體環(huán)境下完整的發(fā)電結(jié)構(gòu)，為小型可穿戴設(shè)備提供綠色電能;

4、并且人體汗液能持續(xù)為藍(lán)藻細(xì)胞提供水分、氯化鈉等養(yǎng)分，并有陽(yáng)光、空氣、雨水等環(huán)境元素共同使得藍(lán)藻保持活性，以產(chǎn)生電能;

5、利用微藻光合產(chǎn)氧的生命機(jī)制，藍(lán)藻細(xì)菌發(fā)電材料能夠吸收二氧化碳、釋放氧氣，幫助緩解溫室效應(yīng)，有益于可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)計(jì)過程

在代爾夫特理工大學(xué)的材料體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室和同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的幫助和指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始了跨學(xué)科的研究與實(shí)驗(yàn)。在諸多科研論文的基礎(chǔ)上，他們運(yùn)用藍(lán)藻細(xì)菌涂層、多壁碳納米管導(dǎo)電油墨、鍍鉑碳布等原材料制作電池，第一次成功捕獲了藍(lán)藻細(xì)菌產(chǎn)生的電子。該藍(lán)藻細(xì)菌發(fā)電材料的原型大致經(jīng)過三次迭代：第一種“chamber”腔室型電池體積和質(zhì)量相對(duì)較大，具備完整但復(fù)雜的光伏電池結(jié)構(gòu);為了更好地拓展性，化簡(jiǎn)為了第二種“sandwich”三明治型，其輕質(zhì)、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(jié)構(gòu)改變?yōu)椤皐earable”可穿戴型。通過面料吸水性等性能測(cè)試，從10余種材料中篩選出具有快速單向?qū)裥阅艿乃止芾砜椢?，作為?gòu)建電池鹽橋的重要部分。通過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和健身房中的多次原型測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了可穿戴自驅(qū)動(dòng)型藍(lán)藻細(xì)菌發(fā)電。為了使電能共生體系統(tǒng)的效率更高，他們引入了參數(shù)化生成式設(shè)計(jì)。運(yùn)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(yáng)極之間的離子交換，使能量循環(huán)更高效，以減少自驅(qū)動(dòng)型電池的無效能耗。最后，經(jīng)過3D建模、制版、絲網(wǎng)印刷、數(shù)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(dá)可穿戴藍(lán)藻電池的運(yùn)行狀態(tài)。

有何不同

和功率大、有序性強(qiáng)、移動(dòng)性弱的低熵能源相比，電能共生體是一種功率小、數(shù)量多、移動(dòng)性強(qiáng)的高熵能源。它可以幫助智能電子設(shè)備從“中心化的電網(wǎng)傳輸和有線充電”向“分布式的離網(wǎng)離線自供電”發(fā)展，滿足近未來物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的能源需求。與干電池或蓄電池相比，電能共生體像一個(gè)移動(dòng)的綠色發(fā)電廠，材料輕質(zhì)、柔性、透氣，更適合作為面料為可穿戴設(shè)備供電，并且更環(huán)保可持續(xù)。與其他生物電池相比，電能共生體有效利用人體環(huán)境中“無用”的汗液，構(gòu)成了自然與人類協(xié)作共生的新能源。與太陽(yáng)能電池相比，電能共生體在夜晚無光照時(shí)，也能通過藍(lán)藻細(xì)菌的呼吸作用來產(chǎn)生電能。與其他環(huán)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(lán)藻，能夠減碳產(chǎn)氧，不止“零排放”，而是“負(fù)排放”。

未來計(jì)劃

目前這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明專利正在審核中。對(duì)于未來，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的有三大目標(biāo)。一是對(duì)材料做更全面的性能實(shí)驗(yàn)和研究，并專門針對(duì)批量化生產(chǎn)做更深入的實(shí)驗(yàn)和探索。二是探索將技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)具體場(chǎng)景的方案。比如在日常環(huán)境下，為健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、殘疾人或老人安全監(jiān)測(cè)等智能可穿戴設(shè)備供電?；蛟谝巴鈽O端環(huán)境下，使用其應(yīng)急供電等。三是獲得支持資金，并獲得研究、技術(shù)、生產(chǎn)、等方面的合作。

全國(guó)入圍獎(jiǎng)—凝心家用凝血檢測(cè)服務(wù)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)者：（重慶大學(xué)）楊宇辰、任邵陽(yáng)、趙德勝、王夢(mèng)雅、秦盛康、譚郎、李雄、韓風(fēng)俊

它是什么

凝心家用凝血檢測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，檢測(cè)儀硬件部分是由重慶大學(xué)生物工程學(xué)院研制。能夠以指尖采血的形式對(duì)人體凝血四項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單便捷，患者能夠在家自行操作。同時(shí)可以將檢測(cè)的數(shù)值反饋給醫(yī)生端，醫(yī)生根據(jù)數(shù)值給出具體的用藥反饋?；颊卟槐卦俳?jīng)常趕赴醫(yī)院，排隊(duì)進(jìn)行復(fù)查，并耗費(fèi)冗長(zhǎng)的時(shí)間等待復(fù)查結(jié)果。檢測(cè)形成的數(shù)據(jù)鏈能夠最大程度上反饋出患者周期內(nèi)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(zhǔn)把握病情。

設(shè)計(jì)靈感

團(tuán)隊(duì)中有一位成員的爺爺是心血管疾病患者，同時(shí)也是一位三十年經(jīng)驗(yàn)的鄉(xiāng)村醫(yī)生，據(jù)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(shù)，術(shù)后需要根據(jù)定期復(fù)查結(jié)果更改藥量，部分藥物無論藥物過量還是不足，都會(huì)對(duì)身體造成不可逆損傷。而超過六成患者由于疏忽、行動(dòng)不便等因素制約，無法定期復(fù)查來改變藥量，從而造成病情惡化。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)心血管疾病患者總數(shù)約為2600萬(wàn)人，已經(jīng)成為影響中國(guó)中老年人健康的主要問題?；谠O(shè)計(jì)師的社會(huì)責(zé)任感，決定以設(shè)計(jì)的力量為該問題提供解決思路。

如何運(yùn)作

除了先前講到的以指尖采血的形式對(duì)人體凝血四項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，以及將檢測(cè)的數(shù)值反饋給醫(yī)生外，服務(wù)系統(tǒng)還將心血管疾病患者的飲食健康、運(yùn)動(dòng)健康、心理健康三大板塊納入服務(wù)系統(tǒng)中，能夠從這三個(gè)方面為患者提供引導(dǎo)與線下幫助。

設(shè)計(jì)過程

調(diào)研階段：團(tuán)隊(duì)走訪十余家社區(qū)醫(yī)院與十家鄉(xiāng)村診所，與一線醫(yī)生、醫(yī)師以及護(hù)理人員進(jìn)行深度的溝通交流，對(duì)病癥的預(yù)防和治理有了較為充分的認(rèn)識(shí)。同時(shí)與部分患者進(jìn)行深入的交流，細(xì)致的觀察患者的生活習(xí)慣、心理狀態(tài)，最終能夠較為寫實(shí)地生成用戶畫像，方便后續(xù)的研究。

定義階段：在對(duì)基本情況有了了解之后，團(tuán)隊(duì)開始思考需要設(shè)計(jì)一款什么樣的產(chǎn)品來解決現(xiàn)有的問題，幫助心血管疾病患者健康而有尊嚴(yán)的生活。最終，他們將產(chǎn)品定義為“通過對(duì)技術(shù)和服務(wù)系統(tǒng)的整合，使心血管疾病患者足不出戶即可精準(zhǔn)把握病情的產(chǎn)品”。

設(shè)計(jì)階段：為了進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，引入了重慶大學(xué)生物工程學(xué)院博士研究生團(tuán)隊(duì)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)凝血檢測(cè)設(shè)備的家用化。擁有四項(xiàng)國(guó)家級(jí)技術(shù)發(fā)明專利作為支撐，在充分研究用戶行為習(xí)慣后，將醫(yī)生、患者、患者家屬納入服務(wù)系統(tǒng)中，使得服務(wù)系統(tǒng)更加全面和完善。

迭代階段：在產(chǎn)生一定臨床數(shù)據(jù)和用戶反饋后，開始對(duì)產(chǎn)品的體量大小、服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行改良和升級(jí)。

有何不同

成本優(yōu)勢(shì)：由于技術(shù)路線不同，產(chǎn)品的硬件部分在保證檢測(cè)效果的前提下實(shí)現(xiàn)成本更低。與市面上競(jìng)品相比，售價(jià)更為親民，在后期產(chǎn)品推廣和投放階段，具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠真正滿足更多心血管疾病患者的需求。

服務(wù)優(yōu)勢(shì)：相比于冰冷的單一硬件產(chǎn)品，凝心家用凝血檢測(cè)服務(wù)系統(tǒng)能夠以凝血檢測(cè)服務(wù)作為基礎(chǔ)，從患者的生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣、用藥安全以及心理狀況等能夠?qū)Σr產(chǎn)生直接影響的因素提供服務(wù)，更加貼心，更有溫度感。操作優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)品與市面上競(jìng)品相比，體量更小，患者可以通過指尖采血的形式進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)。醫(yī)生可以在系統(tǒng)后臺(tái)生成的數(shù)據(jù)鏈看到病人的病況，并對(duì)病人的用藥等進(jìn)行調(diào)整指導(dǎo)，操作更加便捷。

未來計(jì)劃

目前已經(jīng)與重慶龍湖地產(chǎn)進(jìn)行洽談，計(jì)劃硬件部分通過以其他產(chǎn)品替代的方式，先對(duì)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和檢測(cè)。在多個(gè)社區(qū)投放，收集用戶的反饋以及數(shù)據(jù)，首先迭代服務(wù)系統(tǒng)。同時(shí)，硬件部分在申請(qǐng)專業(yè)醫(yī)療器械執(zhí)照，接受審批檢驗(yàn)。在執(zhí)照申請(qǐng)成功后，將硬件產(chǎn)品投入到已有的服務(wù)系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)再對(duì)硬件部分進(jìn)行升級(jí)。