Активизация сбора энергии для носимых технологий

Носимым устройствам, как и почти любой другой технологии, нужна энергия. Однако, к счастью, при скромном бюджете мощности носимых устройств энергия фактически присутствует повсюду. Оно в солнечные лучи и радиоволны, пот кожи и тепло тела, движение человека и его шаги. И сегодня технологии развиваются до такой степени, что можно собирать значительные объемы этой энергии, чтобы освободить носимые устройства от необходимости когда-либо использовать аккумулятор. Это кажется весьма привлекательным для ряда компаний и исследователей.

«Энергия — это то, что мы воспринимаем как нечто само собой разумеющееся, потому что мы просто подключаем вещи к стене, и она кажется такой же неизбежной, как воздух. Но на самом деле нам необходимо генерировать эту энергию», — говорит Альпер Бозкурт, который вместе с Виной Мисра руководит Центром передовых автономных систем интегрированных датчиков и технологий (ASSIST) в Университете штата Северная Каролина.

Самая известная сегодня носимая технология сбора энергии — это, конечно же, солнечная энергия, которая поглощает электроны из солнечного света или окружающего света. Но солнечная энергия — это лишь первый шаг. Исследователи обнаружили, что существует широкий спектр вариантов получения достаточного количества микроватт для замены батарей носимых устройств. Среди них пьезоэлектрические и трибоэлектрические генераторы, которые используют механическое напряжение и электростатические свойства материалов для выработки электроэнергии. Между тем, хорошо известное явление электромагнитной индукции собирает удары, прыжки и шаги, создавая крошечные, но все же полезные струйки тока.

Хотя носимые устройства обычно не требуют много энергии, носимые устройства должны быть удобными в ношении. Рюкзак с гигантской солнечной панелью технически может работать, но не в реальности. Легкий датчик здоровья человека был бы бесполезен для биологов, пытающихся следить за зубром до конца его жизни.

Разнообразие потребностей – и источников энергии – проявляется в шквал недавних исследований по сбору энергиивключая некоторые гибридные работы, объединяющие несколько модальностей.

Сила пота

Команда Калифорнийского технологического института экспериментировала с различными формами энергии для питания своей электронной кожи, включая человеческий пот и трение материалов во время движения.Вэй Гао/Калифорнийский технологический институт

Вэй Гао из Калифорнийского технологического института разработал автономную «электронную кожу». По его словам, E-skin — это устройство со встроенным датчиком, прикрепляемое непосредственно к коже для считывания и передачи показателей здоровья, таких как частота сердечных сокращений, температура тела, уровень сахара в крови и побочные продукты метаболизма.

«Персонализированное здравоохранение может произвести революцию в традиционной медицинской практике», — говорит Гао. «Но для включения множества различных типов датчиков нам нужны разные конструкции материалов и инструменты. Не последним из этих соображений является сохранение энергии. [and generation]».

Первый электронный скин Гао, созданный в апрель 2020 г.был сделан из мягкой, гибкой резины и использовал пот пациента для питания устройства. Используя встроенные топливные элементы, устройство поглощало лактат из пота и объединяло его с кислородом воздуха с образованием воды и пирувата. Благодаря этому процессу биотопливо вырабатывало достаточно электроэнергии для питания датчиков электронной кожи и передачи данных, непрерывно заряжая конденсатор от 1,5 до 3,8 вольт в течение примерно 60 часов. (Для конденсаторов напряжение преобразуется в электроны, хранящиеся— падение напряжения на конденсаторе пропорционально его полному заряду.)

Спустя несколько месяцев Гао и его команда разработал модель электронной кожи, использующую кинетическую энергию от движения к созданию трибоэлектричество, высвобождение тока из относительного движения материалов с разными электростатическими свойствами. Эта электронная кожа второго поколения состоит из тонких листов тефлона, меди и полиимида, которые скользят при движении человека, генерируя максимальную мощность 0,94 милливатт.

Затем команда обратилась к 3D-печати. В исследовании, опубликованном вДостижения науки в сентябреОни напечатали на 3D-принтере основные компоненты — физические датчики, химические датчики, микрофлюидику и суперконденсаторы — для мультимодальной системы отслеживания здоровья под названием e3-skin (эпифлюидная эластичная электронная кожа).

Платформа использует набор датчиков, электроды с гидрогелевым покрытием и многое другое, а также суперконденсатор микроразмера, который в данном случае питается от солнечной батареи. По словам Гао, точность 3D-печати позволяет исследователям создавать индивидуальные компоненты для раннего предупреждения и диагностики заболеваний.

Использование часовых технологий для… бизонов?

Много разговоров о носимых технологиях сосредоточено на здоровье или других потребностях человека. Но биологи также рассматривают возможность сбора энергии для отслеживания животных, поскольку нынешние технологии недостаточны. Батарейки умирают раньше, чем животные. Солнечная энергия не подойдет для животных, ведущих ночной образ жизни, или существ, живущих в условиях низкой освещенности. Небольшое устройство, которое собирает энергию во время вечерней пробежки бегуна, явно не предназначено для огромного бизона, который может весить до тонны.

Команда биологов создала специальный GPS-трекер Kinefox, который дикая природа, в том числе испытуемый европейский зубр, может заряжаться, просто передвигаясь как обычно.Расмус В. Хавмёллер

Эти проблемы вдохновили группы исследователей из Копенгагенский университет, Технический университет Даниии Германии Институт поведения животных Макса Планка создать лучший портативный генератор для своих целей: отслеживание диких животных, в идеале, на протяжении всей их жизни. Эта цель в настоящее время недостижима — использование устройств на батарейках и солнечных батареях — для большинства видов млекопитающих.

В работе, опубликованной вПЛОС Один в мае они подробно рассказали о Kinefox, GPS-трекере, который дикая природа может заряжать, просто двигаясь. Команда протестировала свои устройства на трех видах животных: четырех домашних собаках, эксмурском пони и европейском бизоне.

Команда была вдохновлена часы с автоподзаводом, которые существуют с конца 18 века и преобразуют движение запястья в энергию. Поэтому исследователи купили коммерческий микрогенератор, предназначенный для носимых устройств и устройств Интернета вещей, под названием Kinetron MSG32. Они объединили его с литий-ионным конденсатором и специальным трекером с поддержкой GPS, который передает данные через Беспроводная сеть Sigfox с низким энергопотреблением.

«Мы хотели взять уже созданный материал и использовать его для отслеживания животных, хотя он и не предназначен для этого», — говорит Троэльс Грегерсен, приглашенный ученый из Института поведения животных Макса Планка.

Первая версия исследователей приспособила Kinefox к существующим ошейникам и шлейкам животных для наблюдения и обучения.

Однако, говорит Грегерсен, «первый ошейник, который мы надели на бизона, был разрушен. немедленно. Это 900-килограммовые животные, которые натыкаются на деревья. Это не вариант использования в носимых для человека устройствах».

Взяв за основу результаты первой версии, команда в конечном итоге создала специальный трекер и ошейник. Они приклеили механизм автоматических часов на основе маятника микрогенератора к ферромагнитному кольцу, поместив комбинацию вокруг катушки медной проволоки. Когда маятник раскачивается вперед и назад вместе с движением животного, кольцо создает в катушке переменный ток, а схема удвоения напряжения преобразует его в постоянный ток.

«Очень важно иметь возможность установить трекер один раз, когда животное рождается, или усыпить его только один раз», — говорит Грегерсен. «Если что-то может передавать новые типы данных или может храниться дольше, чем что-либо еще, значит, оно имеет применение и ценность».

Kinefox имеет открытый исходный код, файлы опубликованы на GitHub. И если традиционный трекер дикой природы стоит от 3500 до 4000 евро, то материалы для Kinefox, по данным исследователей Макс Планк.

В будущем, Сделай сам может быть даже и не понадобится. Команда ведет переговоры с компанией из Тилбурга, Нидерланды. Кинетрон «Создать микрогенератор, предназначенный специально для животных, а не для наручных часов с автоподзаводом», — говорит Грегерсен.

Проблемы: Устойчивое развитие и отраслевое сотрудничество

Этот эффективный сборщик энергии сочетает в себе пьезоэлектрические композиты, полимер, армированный углеродным волокном, и эпоксидную смолу — уникальное сочетание, способное сохранять электричество даже после 100 000 использований.Университет Тохоку

Глядя в будущее в более широком смысле, некоторые исследователи сосредоточены на объединении уникальных материалов и создании систем сбора энергии из более устойчивых материалов. Команда, в которую входят исследователи из японского университета Тохоку. недавно разработанный надежный и эффективный сборщик энергии, сочетающий в себе пьезоэлектрические композиты и полимер, армированный углеродным волокном (CFRP).

Группа изготовила свое устройство с использованием углепластика, наночастиц ниобата натрия-калия (KNN) и эпоксидной смолы. И даже после 100 000 использований, говорит Яонань Ю, аспирант Тохоку и соавтор исследования, устройство все равно может хранить вырабатываемую им электроэнергию.

Такое сочетание силы и выработки энергии может быть использовано в нескольких типах носимых устройств и приложениях Интернета вещей, включая инфраструктурные системы для укрепления мостов и автомагистралей, которые распознают появление трещин, выбоин или других повреждений, говорит Ю.

Лучшее место, по словам Бозкурта из центра ASSIST, будет заключаться в анализе данных и сопоставлении возможностей сбора энергии для сбора и передачи данных, которые действительно нужны пользователям.

«Если я буду измерять ваше сердцебиение в пикосекундах, это будет напрасной тратой, потому что ваше сердце бьется не так быстро», — говорит он. В рамках одного проекта «мы спросили врачей: «Сколько данных вам нужно?» Они сказали: «Мы не знаем». Мы принимаем наших пациентов каждый месяц, поэтому, если мы будем получать более одного показания в месяц, это будет улучшением». Это была некоторая перспектива».