現有的熱電池模仿生物體的能量轉換機制，為可穿戴設備提供持續發電的可能性。但其可用性、壽命和可擴展應用目前受機械性能差的限制，尤其是長期抗疲勞性。

在此，東華大學武培怡教授等人受天然肌肉結構-特性相關性的啟發，設計了一種抗疲勞和高導電的準固體熱電池來模擬天然肌肉中的分層原纖維和排列的納米通道。首先，通過凍融法制備物理交聯的各向同性聚乙烯醇（PVA）水凝膠，之后熱電離子如亞鐵/鐵氰化物（[Fe(CN)₆^4- /Fe(CN)₆^3-]) 離子通過溶劑交換滲透到水凝膠中。

同時，各向同性的PVA水凝膠被機械拉伸器循環拉伸，模仿自然肌肉的機械訓練。當機械訓練的預應變從0% 增加到150% 時，楊氏模量和斷裂功急劇增加。同時，拉伸性的下降可以忽略不計。經過合理的機械訓練，熱電池中的聚合物網絡會自重組并模仿自然肌肉中的層次結構。

圖1. 熱電池增強的仿生機械性能

研究表明，最初機械性能較差的熱電池可通過上述自重組過程，在不影響熱電功率密度的情況下顯著改善其長期機械性能。相對而言，拉伸性、韌性和疲勞閾值≈470%、17900 J m^-2和2500 J m^-2，甚至高于天然肌肉。與現有的具有無序納米網絡的準固體熱電池相比，離子電導率增加了約5倍，這可能是由于對齊的納米通道對離子傳輸的貢獻。此外，功率密度甚至可與最先進的準固體熱電池相媲美。

進一步，該熱電池可以大規模生產和組裝大型陣列，輸出電壓超過數百毫伏，具有完美的機械適應性。這項工作證明了通過設計能量收集和轉換材料的分層架構同時提高機械性能和輸出功率的可行性，生物啟發的見解也可能促進電源的發展，以提供持續、方便和舒適的人機交互體驗。

圖2. 人工熱電池和天然電池中能量轉換機制的示意圖和性能比較

Anti-Fatigue and Highly Conductive Thermocells for Continuous Electricity Generation, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202201021