Разработанный прототип состоит из трех основных частей: биотопливных элементов, работающих от пота, устройств, работающих от движения, называемых трибоэлектрическими генераторами, и суперконденсаторов, накапливающих энергию. Все детали гибкие, можно стирать и наносить трафаретную печать на одежду.
Технология, о которой сообщается в статье, в Nature Communications, черпает вдохновение в микросетях сообщества.
Разработчики применяют концепцию микросети для создания носимых систем с устойчивым, надежным и независимым питанием. 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 микросетка 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 клетки, 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 вырабатывают 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. Вся система загружается в два раза быстрее, чем при использовании одних только биотопливных элементов, и служит в три раза дольше, чем одни 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 комбинация технологий
Биотопливные элементы оснащены ферментами, которые вызывают обмен электронами между молекулами лактата и кислорода в человеческом поте 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 вырабатывают 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 тут-то и пригодятся суперконденсаторы; они действуют как резервуар, который временно накапливает энергию от обоих источников энергии и может разряжать ее по мере необходимости.
Все детали соединены гибкими серебряными соединениями, которые также нанесены на рубашку и изолированы водонепроницаемым покрытием. На характеристики каждой детали не влияют многократные сгибания, складывания и смятия, а также стирка в воде, если не используется моющее средство.
Новые горизонты
Эта конкретная система полезна для легкой атлетики и других случаев, когда пользователь тренируется. Но это лишь один пример того, как можно использовать носимую микросеть. Инжинеры говорят, что не хотят ограничиваться представленной конфигурацией. Они хотят адаптировать систему, выбирая разные типы комбайнов для сбора энергии для разных сценариев.
Исследователи работают над другими конструкциями, которые могут собирать энергию, например, когда пользователь сидит в офисе или медленно движется по улюце.
