Пот с кончиков пальцев может помочь зарядить новое поколение носимой электроники

Новое носимое устройство превращает прикосновение пальца в источник энергии для небольшой электроники и датчиков. Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали тонкую гибкую полоску, которую можно носить на кончике пальца и генерировать небольшое количество электричества, когда палец человека потеет или надавливает на нее.
Особенность этого устройства, работающего от пота, заключается в том, что оно генерирует энергию, даже когда пользователь спит или сидит неподвижно. Это потенциально имеет большое значение для носимых устройств, потому что исследователи теперь выяснили, как использовать энергию, которая может быть извлечена из человеческого пота, даже когда человек не двигается.«Этот тип устройства является первым в своем роде», — сказал соавтор Лу Инь, доктор философии по наноинженерии. студент инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс. «В отличие от других носимых устройств с питанием от пота, этот не требует физических упражнений и физических усилий со стороны пользователя, чтобы быть полезным. Эта работа — шаг вперед к тому, чтобы сделать носимые устройства более практичными, удобными и доступными для обычного человека ».
Новый носимый энергоуборочный комбайн описан в статье, опубликованной в Joule ( «Биотопливный элемент с пассивным потоотделением: высокая окупаемость инвестиций» ).
Устройство также генерирует дополнительную мощность от легкого нажатия пальцами, поэтому такие действия, как набор текста, текстовые сообщения, игра на пианино или прослушивание азбуки Морзе, также могут стать источниками энергии.
«Мы предполагаем, что это может быть использовано в любой повседневной деятельности, связанной с прикосновениями, — то, что человек обычно делал бы в любом случае на работе, дома, во время просмотра телевизора или еды», — сказал Джозеф Ван, профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Jacobs School of Engineering и старший автор исследования. «Цель состоит в том, чтобы это устройство, естественно, работало на вас, и вам даже не нужно было думать об этом».
Устройство получает большую часть своей энергии от пота, производимого кончиками пальцев, которые являются 24-часовой фабрикой потоотделения. Малоизвестный факт, что кончики пальцев — одно из самых потных пятен на теле; Каждая из них содержит более тысячи потовых желез и может производить от 100 до 1000 раз больше пота, чем большинство других участков тела.
«Причина, по которой мы чувствуем потливость на других частях тела, заключается в том, что эти места плохо вентилируются», — сказал Инь. «Напротив, кончики пальцев всегда находятся под воздействием воздуха, поэтому пот испаряется, когда выходит наружу. Поэтому вместо того, чтобы дать ему испариться, мы используем наше устройство для сбора этого пота, и он может генерировать значительное количество энергии ».
Но не любое устройство, работающее от пота, может работать на кончике пальца. Инь объяснил, что для сбора пота с такой маленькой площади и его использования необходимы некоторые инновационные материалы. Исследователям пришлось сконструировать различные части устройства, чтобы они были суперпоглощающими и эффективно преобразовывали химические вещества человеческого пота в электрическую энергию.Инь работал над этим проектом с доктором философии по наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. студенты Чон-Мин Мун и Джулиана Семпионатто, которые являются другими соавторами исследования, в составе команды под руководством Вана, который также является директором Центра носимых датчиков в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Ван и его команда первыми изобрели носимые устройства, работающие от пота 8 лет назад. С тех пор они опираются на технологию, чтобы создать новые и более совершенные способы питания носимых устройств с использованием экологически безопасных источников, таких как сами пользователи и их окружение.
Эта новейшая технология сбора энергии особенно уникальна тем, что может служить источником энергии в любое время и в любом месте. У него нет таких же ограничений, как, скажем, солнечные элементы, которые работают только под солнечным светом, или термоэлектрические генераторы, которые работают только при большой разнице температур между устройством и окружающей средой.
Как это работает
Устройство представляет собой тонкую гибкую полоску, которую можно наматывать на кончик пальца, как пластырь. Прокладка электродов из угольной пены поглощает пот и преобразует его в электрическую энергию. Электроды оснащены ферментами, которые запускают химические реакции между молекулами лактата и кислорода в поте для выработки электричества. Под электродами находится чип, сделанный из так называемого пьезоэлектрического материала, который генерирует дополнительную электрическую энергию при нажатии.
Когда пользователь потеет или нажимает на полоску, электрическая энергия накапливается в небольшом конденсаторе и при необходимости разряжается на другие устройства.
Исследователи попросили испытуемого носить устройство на кончике пальца во время сидячей деятельности. За 10 часов сна устройство собрало почти 400 миллиджоулей энергии — этого достаточно для питания электронных наручных часов в течение 24 часов. За час случайного набора текста и щелчка мышью устройство собрало почти 30 миллиджоулей.
И это всего лишь одним пальцем. По словам исследователей, привязка устройств к остальным кончикам пальцев будет генерировать в 10 раз больше энергии.
«Используя пот на кончике пальца, который вытекает естественным образом независимо от того, где вы находитесь и чем занимаетесь, эта технология обеспечивает чистый прирост энергии без каких-либо усилий со стороны пользователя. Это то, что мы называем максимальной окупаемостью энергии », — сказал Ван.
«Сравните это с устройством, которое собирает энергию во время упражнений», — объяснил Инь. «Когда вы бежите, вы тратите сотни джоулей энергии только на то, чтобы устройство генерировало миллиджоули энергии. В этом случае окупаемость ваших инвестиций будет очень низкой. Но с этим устройством ваша отдача очень высока. Когда вы спите, вы не работаете. Даже одним нажатием пальца вы вкладываете всего лишь полмиллиджоуля ».
В других экспериментах исследователи подключили свой комбайн для сбора энергии к электронной системе, состоящей из химического датчика, подключенного к небольшому дисплею с низким энергопотреблением, который показывает числовые показания данных датчика. Чтобы запитать датчик и дисплей, достаточно было нажимать на накопитель энергии 10 раз каждые 10 секунд или просто носить его на кончике пальца в течение двух минут. В одном эксперименте исследователи подключили свое устройство к датчику витамина С, который они разработали в лаборатории. Они попросили испытуемого принять таблетку витамина С, а затем использовать систему с питанием от пальца, чтобы определить свой уровень витамина С. В другом эксперименте исследователи показали, что их систему также можно использовать с лабораторным датчиком натрия для считывания уровня ионов натрия в растворе соленой воды.
«Наша цель — сделать это практичным устройством», — сказал Инь. «Мы хотим показать, что это не просто еще одна крутая штука, которая может генерировать небольшое количество энергии, и вот и все — мы действительно можем использовать энергию для питания полезной электроники, такой как датчики и дисплеи».
С этой целью команда продолжает совершенствовать устройство, чтобы оно стало более эффективным и долговечным. Будущие исследования будут включать в себя объединение его с другими типами сборщиков энергии для создания нового поколения носимых систем с автономным питанием.

Поделиться

Источник