寻找下一代发明家

冠军作品—电能共生体

设计者：（同济大学）胡可儿、袁硕

它是什么

电能共生体（Power Mutualism）是一种轻质、柔性、可移动、绿色的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，为可穿戴传感或物联网的小型智能设备提供绿色能源，使其摆脱外部电源充电等各种限制。并且它在运作过程中能减碳产氧，有助于缓解温室效应，促进可持续发展。

设计灵感

从定点的电话亭到移动的手机，电器在变小、变轻、离网、离线，近未来将是物联网和可穿戴传感网络。但现有的供电方式构成诸多限制。比如需要外接电源或定期充电，限制使用者活动;电池占据可穿戴设备的大部分重量，增加负担;硅基材料体感差。最重要的是，大部分获取能源的方式都对自然造成了巨大的伤害：化石燃料发电排放温室气体和有毒物质;电网在层层分配传输过程中产生隐形浪费;硅基电池原料不可降解……设计团队在思考如何使新能源促进移动智能设备发展时，近年来世界各地爆发的“藻华”给了他们灵感。他们发现蓝藻细菌在光合作用过程中会释放电子，就像细胞级的发电厂。利用无处安放的“自然垃圾”蓝藻，电能否被设计得更绿色、更轻负担、更移动？

如何运作

利用蓝藻细菌在光合作用中释放电子的生命机制，设计团队设计并实现了完整的可穿戴自驱动型电池结构，具体的技术运作有：

1、基于生物光伏电池的基本结构，该发电材料具备产生电子的阳极、催化氧化还原反应的阴极，和进行离子交换的盐桥。该结构能捕获蓝藻细菌的电子，每12平方厘米（相当于一块奥利奥饼干的面积大小）产生0.3伏～0.4伏的电压;

2、单向导湿的水分管理织物像液泵一样自然地诱导水分子连续、高速地从皮肤表面向外流动，从而促进电池的化学反应;

3、人体汗液作为自驱动力触发离子交换，构成了人体环境下完整的发电结构，为小型可穿戴设备提供绿色电能;

4、并且人体汗液能持续为蓝藻细胞提供水分、氯化钠等养分，并有阳光、空气、雨水等环境元素共同使得蓝藻保持活性，以产生电能;

5、利用微藻光合产氧的生命机制，蓝藻细菌发电材料能够吸收二氧化碳、释放氧气，帮助缓解温室效应，有益于可持续发展。

设计过程

在代尔夫特理工大学的材料体验实验室和同济大学环境科学与工程学院的帮助和指导下，设计团队开始了跨学科的研究与实验。在诸多科研论文的基础上，他们运用蓝藻细菌涂层、多壁碳纳米管导电油墨、镀铂碳布等原材料制作电池，第一次成功捕获了蓝藻细菌产生的电子。该蓝藻细菌发电材料的原型大致经过三次迭代：第一种“chamber”腔室型电池体积和质量相对较大，具备完整但复杂的光伏电池结构;为了更好地拓展性，化简为了第二种“sandwich”三明治型，其轻质、柔性，厚度仅1毫米～2毫米;为了更适宜人体穿戴，他们又将材料的结构改变为“wearable”可穿戴型。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。通过在实验室环境和健身房中的多次原型测试，实现了可穿戴自驱动型蓝藻细菌发电。为了使电能共生体系统的效率更高，他们引入了参数化生成式设计。运用基于人体汗液图谱和沃罗诺伊图的算法，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，以减少自驱动型电池的无效能耗。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功能性的成衣，用手臂上的灯光反馈来表达可穿戴蓝藻电池的运行状态。

有何不同

和功率大、有序性强、移动性弱的低熵能源相比，电能共生体是一种功率小、数量多、移动性强的高熵能源。它可以帮助智能电子设备从“中心化的电网传输和有线充电”向“分布式的离网离线自供电”发展，满足近未来物联网和可穿戴传感网络的能源需求。与干电池或蓄电池相比，电能共生体像一个移动的绿色发电厂，材料轻质、柔性、透气，更适合作为面料为可穿戴设备供电，并且更环保可持续。与其他生物电池相比，电能共生体有效利用人體环境中“无用”的汗液，构成了自然与人类协作共生的新能源。与太阳能电池相比，电能共生体在夜晚无光照时，也能通过蓝藻细菌的呼吸作用来产生电能。与其他环保材料相比，电能共生体不仅仅是生物可降解的，还有效利用了被遗忘或丢弃的丰富自然资源蓝藻，能够减碳产氧，不止“零排放”，而是“负排放”。

未来计划

目前这项技术的发明专利正在审核中。对于未来，设计团队的有三大目标。一是对材料做更全面的性能实验和研究，并专门针对批量化生产做更深入的实验和探索。二是探索将技术应用于各个具体场景的方案。比如在日常环境下，为健康监测设备、残疾人或老人安全监测等智能可穿戴设备供电。或在野外极端环境下，使用其应急供电等。三是获得支持资金，并获得研究、技术、生产、等方面的合作。

全国入围奖—凝心家用凝血检测服务系统

设计者：（重庆大学）杨宇辰、任邵阳、赵德胜、王梦雅、秦盛康、谭郎、李雄、韩风俊

它是什么

凝心家用凝血检测服务系统，检测仪硬件部分是由重庆大学生物工程学院研制。能够以指尖采血的形式对人体凝血四项数据进行精准检测，操作简单便捷，患者能够在家自行操作。同时可以将检测的数值反馈给医生端，医生根据数值给出具体的用药反馈。患者不必再经常赶赴医院，排队进行复查，并耗费冗长的时间等待复查结果。检测形成的数据链能够最大程度上反馈出患者周期内的病情变化，能够更好地把握病情。使患者能够足不出户即可精准把握病情。

设计灵感

团队中有一位成员的爷爷是心血管疾病患者，同时也是一位三十年经验的乡村医生，据他介绍，村里有很多老年人患有心血管疾病。该类病症本身并不难控制，心血管疾病患者主要治疗方式为支架手术，术后需要根据定期复查结果更改药量，部分药物无论药物过量还是不足，都会对身体造成不可逆损伤。而超过六成患者由于疏忽、行动不便等因素制约，无法定期复查来改变药量，从而造成病情恶化。据数据显示，2018年中国心血管疾病患者总数约为2600万人，已经成为影响中国中老年人健康的主要问题。基于设计师的社会责任感，决定以设计的力量为该问题提供解决思路。

如何运作

除了先前讲到的以指尖采血的形式对人体凝血四项数据进行精准检测，以及将检测的数值反馈给医生外，服务系统还将心血管疾病患者的饮食健康、运动健康、心理健康三大板块纳入服务系统中，能够从这三个方面为患者提供引导与线下帮助。

设计过程

调研阶段：团队走访十余家社区医院与十家乡村诊所，与一线医生、医师以及护理人员进行深度的沟通交流，对病症的预防和治理有了较为充分的认识。同时与部分患者进行深入的交流，细致的观察患者的生活习惯、心理状态，最终能够较为写实地生成用户画像，方便后续的研究。

定义阶段：在对基本情况有了了解之后，团队开始思考需要设计一款什么样的产品来解决现有的问题，帮助心血管疾病患者健康而有尊严的生活。最终，他们将产品定义为“通过对技术和服务系统的整合，使心血管疾病患者足不出户即可精准把握病情的产品”。

设计阶段：为了进行技术攻关，引入了重庆大学生物工程学院博士研究生团队，最终能够实现凝血检测设备的家用化。拥有四项国家级技术发明专利作为支撑，在充分研究用户行为习惯后，将医生、患者、患者家属纳入服务系统中，使得服务系统更加全面和完善。

迭代階段：在产生一定临床数据和用户反馈后，开始对产品的体量大小、服务系统进行改良和升级。

有何不同

成本优势：由于技术路线不同，产品的硬件部分在保证检测效果的前提下实现成本更低。与市面上竞品相比，售价更为亲民，在后期产品推广和投放阶段，具有较大的优势，能够真正满足更多心血管疾病患者的需求。

服务优势：相比于冰冷的单一硬件产品，凝心家用凝血检测服务系统能够以凝血检测服务作为基础，从患者的生活习惯、饮食习惯、用药安全以及心理状况等能够对病况产生直接影响的因素提供服务，更加贴心，更有温度感。操作优势：产品与市面上竞品相比，体量更小，患者可以通过指尖采血的形式进行检测，检测后自动将数据传送给后台。医生可以在系统后台生成的数据链看到病人的病况，并对病人的用药等进行调整指导，操作更加便捷。

未来计划

目前已经与重庆龙湖地产进行洽谈，计划硬件部分通过以其他产品替代的方式，先对服务系统进行验证和检测。在多个社区投放，收集用户的反馈以及数据，首先迭代服务系统。同时，硬件部分在申请专业医疗器械执照，接受审批检验。在执照申请成功后，将硬件产品投入到已有的服务系统中，通过数据再对硬件部分进行升级。