可组装的热电乐高模块：可重构、自愈及柔性发电器

把废热变成有用的电能

每天，大量来自汽车发动机、工业管道，甚至我们自身的热量都被白白散失到空气中。热电发电机可以直接把这些热量转化为电能，但现有设备通常刚性、脆弱，一旦开裂几乎无法修复。本研究提出了一种新思路：像乐高积木一样的小型发电模块，它们可弯曲、受损后能自愈并可重新组装，从而使电源既更坚韧又更具适应性。

用小模块构建电力

研究团队没有采用大型、易碎的整体模块，而是设计了单个“热电乐高模块”。每个模块是一个独立单元，包含一个实心的热电腿——将热转换为电的部分——夹在由含银片的特殊聚合物制成的柔性导电垫之间。这些垫子像柔性电极，按压时能彼此重新接触。通过将许多此类模块卡接成阵列，研究者可以像用玩具积木一样构建不同尺寸和布局的发电器。

既导电又自愈的软材料

为使模块既柔软又耐用，研究人员采用了一种类硅胶基底材料（与常见硅橡胶类似），并对其进行设计以形成可逆键结，从而在被刮伤或切割后能“自愈”。他们在其中混入微小银片，使每个柔性垫既能导电也能导热。测试表明，该复合材料在多个加热冷却循环中于日常工作温度范围内保持结构与性能稳定，能承载较大电流，同时比纯聚合物具有更好的热导性。关键的是，当表面被划伤时，其电阻在数分钟内几乎恢复正常，即使完全切断后在轻压和适度加温下重新接合，其载流能力几乎完全恢复。

打印耐用的核心件

每个模块的核心是由铋—碲基化合物制成的热电腿，这类材料长期以来一直是低温热电领域的主力。团队没有机械加工笨重零件，而是使用挤出式3D打印技术沉积由细磨热电颗粒制成的糊状材料。经热处理后，打印出的热电腿成为致密、连续的固体，其性能接近常规块体材料，同时内部的孔隙结构有助于降低热流——这是提高发电效率的优势。对电导率、热导率及温差响应电压的测量证实，这些微小打印元件能够在接近室温的小温差下有效地收集能量。

能弯曲、能拉伸、能拆卸的器件

将模块组装成简单的测试发电器后，研究者对其进行了严苛的机械试验。器件能够弯曲至约3.4毫米的最小半径，并在保持电阻和输出功率几乎不变的情况下承受高达40%的应变。当电极被划伤时，电阻短暂上升，然后随着材料自愈而回落到接近原始值。更有意义的是，整个发电器可以被切分为单个模块后再重新连接：重组后的器件产生的电压和功率几乎与之前相同，仅相差几个百分点。这表明受损的发电器可以在不更换全部零件的情况下恢复。

像玩具一样重构发电器

利用模块化设计，研究人员反复将同一组模块分解并重组为不同整体形状。他们构建了含两对、四对和六对模块的简单阵列，然后将它们重新排列成可更好地包裹弯曲或复杂表面的 U 型、V 型和 W 型布局。在这些配置中，只要保持电气串联连接，总电压会随着模块数量可预测地增加，而几何形状的变化并不会显著影响输出。这意味着设计者可以自由地重塑发电器以贴合管道、可穿戴带或定制设备，而不牺牲性能。

走向可定制、可修复的热能收集器

简而言之，这项研究展示了把热电模块变成乐高式单元如何同时解决多项长期存在的问题。这些模块足够柔软以适配曲面，足够坚韧以弯曲和拉伸，能在切割和划伤后自愈，并且可以随着需求变化方便地重新配置为新布局。尽管单个发电器目前输出功率有限，但该方法具有可扩展性：增加模块数量即可获得更高输出。这些可自愈、可重构的构件指向一个未来——发电器可以按需组装、修复和重塑，而不是在开裂或不再适配时被丢弃。

引用: Kim, K., Park, K., Song, J. et al. Assemblable thermoelectric Lego blocks for reconfigurable, self-healing, and flexible power generators. npj Flex Electron 10, 30 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00534-8

关键词: 热电发电机, 柔性电子, 自愈材料, 3D 打印, 能量收集