化廢為寶：柚子皮可用於發電與感測裝置

柚子是一種大型柑橘類水果，常見於東南亞和東亞地區。它的果皮極厚，通常都被丟棄，造成了相當多的食物浪費。在《美國化學學會應用材料與介面》期刊發表的一項新研究中，伊利諾大學厄巴納 - 香檳分校的研究人員探索了利用廢棄柚子皮生物質的方法，以開發能夠為小型電子裝置供電並監測生物力學運動的工具。

研究共同作者、伊利諾大學農業、消費者與環境科學學院食品科學與人類營養學系助理教授王奕程表示：「柚子皮主要有兩部分——薄的外層和厚的白色內層。白色部分很柔軟，按上去感覺像海綿。有些人用柚子皮提取精油或果膠的化合物，但我們想利用果皮天然的多孔海綿結構。如果我們能將果皮升級轉化為更具價值的產品，而非直接丟棄，不僅能減少柚子生產、消費和製汁過程中的浪費，還能從食物和農業廢棄物中創造更多價值。」

一個柚子通常重 1 到 2 公斤（2 到 4.5 磅），果皮佔其中的 30% 到 50%。在研究中，研究人員將果皮與果肉分離，去除最外層。剩下的厚海綿狀白色果皮被切成小塊，並冷凍乾燥以保留其獨特的三維多孔結構，然後存放在不同的濕度條件下。

在分析了果皮的化學成分和機械效能後，研究團隊用它製造了能夠將機械能轉化為電能的裝置，並用作自供電運動感測器。王奕程解釋說：「這些裝置利用了接觸起電的原理。這聽起來可能很複雜，但實際上相當簡單，我們時常會經歷。例如，當我們觸控門把手時，尤其是在冬天，有時會感覺到電擊。其基本機制就是接觸起電，或稱摩擦起電，『tribo』的意思就是摩擦。當兩種材料相互摩擦時，由於它們之間的電荷轉移，會形成靜電。我們想探索是否能收集和利用這種電能。」

研究人員使用柚子皮生物質和塑膠（聚醯亞胺）薄膜作為兩個摩擦電層，當受到外力時，它們會相互接觸。他們在每個層上都附著了銅箔電極，並評估了所得裝置將外部機械能轉化為電能的效果。只需用手指輕敲這些基於柚子皮的摩擦電裝置，就能點亮大約 20 個發光二極體（LED）。他們還展示了，當該裝置與包含能量儲存單元的電源管理系統整合時，僅靠這些機械力就能為計算器或運動手錶供電，無需外部電源。

王奕程進一步說：「這種應用有很大的潛力將原本浪費的能量轉化為有用的電能。我們還發現，由於柚子皮天然的多孔結構，基於它的摩擦電裝置對力和力的頻率非常敏感。這啟發我們開發可以附著在人體上用於生物力學監測的感測裝置。」

研究人員的概念驗證感測器附著在身體各部位時，能夠監測生物力學運動，如關節運動和步態模式。這是因為身體不同部位的運動會導致摩擦電層之間的接觸起電，產生與不同運動相對應的獨特電訊號。這種能力有很大的潛力為醫護和物理康復專業人員提供有價值的資訊。

王奕程總結道：「這項研究凸顯了將食物廢棄物轉化為增值裝置和材料的令人興奮的機會。透過潛在地替代或補充不可再生材料並減少廢棄物，它可能對長期可持續發展做出重大貢獻，我們將繼續探索更多將食物和農業廢棄物升級轉化的機會。」