Технология, о которой сообщается в статье, опубликованной в марте. 9 в Nature Communications, черпает вдохновение в микросетях сообщества.
«Мы применяем концепцию микросетей для создания носимых систем с устойчивым, надежным и независимым питанием», – сказал один из первых авторов Лу Инь, доктор наук в области наноинженерии.D. студент инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс. «Подобно тому, как городская микросеть объединяет множество местных возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, переносная микросеть объединяет устройства, которые локально собирают энергию из различных частей тела, таких как пот и движение, и в то же время содержат накопители энергии."
Носимая микросеть построена из комбинации гибких электронных компонентов, которые были разработаны командой нанобиоэлектроники профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Джозефа Ванга, который является директором Центра носимых датчиков в Калифорнийском университете в Сан-Диего и соответствующим автором текущего исследования.
Каждая часть наносится трафаретной печатью на рубашку и размещается таким образом, чтобы оптимизировать количество собираемой энергии.
Биотопливные элементы, которые собирают энергию из пота, расположены внутри рубашки на груди.
Устройства, преобразующие энергию движения в электричество, называемые трибоэлектрическими генераторами, располагаются за пределами рубашки на предплечьях и по бокам туловища рядом с талией. Они собирают энергию от раскачивающего движения рук относительно туловища во время ходьбы или бега. Суперконденсаторы за рубашкой на груди временно накапливают энергию от обоих устройств, а затем разряжают ее для питания небольшой электроники.
Сбор энергии как от движения, так и от пота позволяет носимой микросети быстро и непрерывно обеспечивать питание устройств.
Трибоэлектрические генераторы выдают энергию сразу же, как только пользователь начинает двигаться, прежде чем вспотеть. Как только пользователь начинает потеть, биотопливные элементы начинают подавать энергию и продолжают делать это после того, как пользователь перестанет двигаться.
«Когда вы складываете эти два вместе, они компенсируют недостатки друг друга», – сказал Инь. «Они дополняют друг друга и синергичны, обеспечивая быстрый запуск и непрерывную подачу электроэнергии.«Вся система загружается в два раза быстрее, чем при использовании одних только биотопливных элементов, и служит в три раза дольше, чем только трибоэлектрические генераторы.
Носимая микросетка была протестирована на испытуемом в течение 30-минутных занятий, которые состояли из 10 минут тренировки на велотренажере или бега с последующими 20 минутами отдыха. Система могла питать либо наручные часы с ЖК-дисплеем, либо небольшой электрохромный дисплей – устройство, которое меняет цвет в ответ на приложенное напряжение – в течение каждого 30-минутного сеанса.
Больше, чем сумма его частей
Биотопливные элементы оснащены ферментами, которые вызывают обмен электронами между молекулами лактата и кислорода в человеческом поту для выработки электричества.
Команда Вана впервые сообщила об этих собирающих пот носимых устройствах в статье, опубликованной в 2013 году. Работая с коллегами из Центра носимых датчиков Калифорнийского университета в Сан-Диего, они позже обновили технологию, сделав ее растягиваемой и достаточно мощной для работы с небольшой электроникой.
Трибоэлектрические генераторы изготовлены из отрицательно заряженного материала, размещенного на предплечьях, и положительно заряженного материала, размещенного по бокам туловища. Когда руки качаются относительно туловища во время ходьбы или бега, противоположно заряженные материалы трутся друг о друга и генерируют электричество.
Каждое устройство обеспечивает разный тип питания.
Биотопливные элементы обеспечивают непрерывное низкое напряжение, а трибоэлектрические генераторы выдают импульсы высокого напряжения. Чтобы система питала устройства, эти разные напряжения необходимо объединить и отрегулировать в одно стабильное напряжение. Вот где нужны суперконденсаторы; они действуют как резервуар, который временно накапливает энергию от обоих источников питания и может разряжать ее по мере необходимости.
Инь сравнил установку с системой водоснабжения.
«Представьте, что биотопливные элементы похожи на медленно протекающий кран, а трибоэлектрические генераторы – как шланг, который выбрасывает струи воды», – сказал он. "Суперконденсаторы – это резервуар, в который они оба питаются, и вы можете черпать его из этого резервуара, но вам нужно."
Все детали соединены гибкими серебряными соединениями, которые также напечатаны на рубашке и изолированы водонепроницаемым покрытием. На характеристики каждой детали не влияют многократные сгибания, складывания и смятия, а также стирка в воде до тех пор, пока не используется моющее средство.
По словам Инь, главное новшество в этой работе – не сами носимые устройства, а систематическая и эффективная интеграция всех устройств.
"Мы не просто складываем A и B вместе и называем это системой.
Мы выбрали детали, которые все имеют совместимые форм-факторы (здесь все пригодно для печати, гибко и растягивается); соответствие производительности; и дополнительные функции, то есть все они полезны для одного и того же сценария (в данном случае – строгого движения) », – сказал он.
Другие приложения
Эта конкретная система полезна для легкой атлетики и других случаев, когда пользователь тренируется.
Но это лишь один пример того, как можно использовать носимую микросеть. "Мы не ограничиваемся этим дизайном. Мы можем адаптировать систему, выбирая различные типы комбайнов для сбора энергии для разных сценариев », – сказал Инь.
Исследователи работают над другими проектами, которые могут собирать энергию, например, когда пользователь сидит в офисе или медленно движется снаружи.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = jJSu40ul_Ho