Преносимо устройство използва енергията от движението на човешкото тяло за производство на eлектричество

Наноинженери от Калифорнийския университет в Сан Диего разработиха „преносима микроскопична електрическа мрежа“, която събира и съхранява енергията, отделена от човешкото тяло, за да зарежда малки електронни устройства.

Иновацията се състои от три основни компонента: клетки за биогориво, което в случая се оказва човешката пот, механизъм, зареждащ се при движение, наречен трибоелектрически генератор, и суперкондензатор, който съхранява цялата тази енергия. Всички елементи са гъвкави, могат да се мият и се принтират върху дрехи.

Новата технология е описана на 09.03.2021 г. в списание „Nature Communications“, където става ясно, че учените са почерпили вдъхновение от добре познатите електрически мрежи, които захранват градовете ни.

Същност и съставни части на миниатюрната електрическа мрежа 

Лу Юин, студент по наноинженеринг в училището по инженеринг към Калифорнийския университет в Сан Диего, пояснява още за откритието: „Идеята ни бе да създадем микромрежа, която човек да може да носи със себе си навсякъде и която да получава енергия постоянно, надеждно и независимо. Също както един град се захранва с най-различни енергийни източници като вятър и слънце например, така и нашето преносимо миниатюрно устройство обединява в себе си компоненти, които използват енергията, получена по два различни начина – чрез потта и движението, и я съхраняват в специални кондензатори.“

Микромрежата се състои от гъвкави електронни елементи, разработени от екипа по нанобиоелектроника към Калифорнийския университет, ръководен от професора по наноинженеринг Джоузеф Уанг, който е директор на Центъра за преносими сензори и автор на изследването.

Всяка част е принтирана върху риза по начин, който да оптимизира количеството събрана енергия.

Клетки за биогориво

Клетките за биогориво, които складират енергията от човешката пот, са поставени от вътрешната страна на ризата, на нивото на гърдите.

Трибоелектрически генератори

Елементите, които пък използват енергията, получена от движенията на човека, и се наричат трибоелектрически генератори, се намират от външната страна на дрехата, в долната част на ръкава между лакътя и китката, както и отстрани на торса, близо до талията. Местата не са избрани случайно - генераторите разчитат на размаха на ръцете при ходене или тичане.

Суперкондензатори за съхранение на енергията

Суперкондензаторите от външната страна на ризата в зоната на гърдите служат за временно съхранение на енергията, която се доставя от другите два компонента. Когато настъпи моментът, тя се отдава на малките електронни джаджи, които всеки от нас носи, за да се заредят.
Използването на енергия по тези два начина позволява бързо и непрекъснато зареждане на малки преносими устройства.

Трибоелектрическите генератори доставят нужния заряд в момента, в който тялото започне да се движи, но още преди да се отдели потта. Когато се появи пот, клетките за биогориво се задействат и не спират да работят, дори след като човекът премине в състояние на покой.

Юин добавя: „Двата елемента се допълват взаимно и компенсират за недостатъците на другия. Единият се активира много бързо, а другият работи продължително и има удължено действие. Накратко, механизмът има две безспорни предимства: започва да функционира много по-бързо, отколкото ако разчиташе само на биоклетките, и има 3 пъти по-дълго действие от това на трибоелектрическите генератори.

Преносимата микромрежа е тествана върху човек в продължение на 30 минути, от които 10 минути на активно натоварване – каране на велоергометър или тичане, и 20 минути – в покой. Иновативното устройство успява да зареди смарт гривна с LCD дисплей или електрохроматичен екран, който сменя цвета си при промяна в напрежението.

Синергично действие на компонентите

Клетките за биогориво съдържат ензими, които активират размяната на електрони между молекулите на млечната киселина и кислорода в потта, за да се произведе електричество. Екипът на Уанг разкрива за първи път подробности за това свое откритие през 2013 г., а по-късно успява да усъвършенства метода така, че устройството да бъде гъвкаво и да има капацитета да зарежда малки електронни средства.

Трибоелектрическите генератори са изградени от материал с отрицателен заряд, който се поставя в частта на ръцете от лакътя до китката, и друг материал, с положителен заряд, който се закрепва върху страничните части на торса. Движейки ръцете си покрай тялото при ходене или тичане, противоположно заредените материали се трият един в друг и също произвеждат електроенергия.

Всеки елемент осигурява различен тип енергия. Биоклетките доставят непрекъснато ток с ниско напрежение, докато трибоелектрическите генератори произвеждат електричество с високо напрежение, но на интервали. За да успява електронният механизъм да зарежда други устройства, двата вида напрежение трябва да се комбинират и регулират, в резултат на което да се получи стабилно напрежение. Тук се намесват суперкондензаторите, които съхраняват временно енергията от двата източника и я отдават по-късно, при необходимост.

Юин сравнява действието на технологията с принципа на работа на водоснабдителните мрежи.

„Представете си, че клетките за биогориво са като кран, от който водата тече бавно, а трибоелектрическите генератори – маркуч, от който тя излиза на силни струи и под налягане. Суперкондензаторите играят ролята на резервоар както за водата от крана, така и за тази от маркуча. След това съхраненото в него количество може да се използва както и когато пожелаете.“

Отделните компоненти са свързани помежду си с гъвкави сребърни нишки, също принтирани върху дрехата и с нужното водоустойчиво покритие. Работата на механизма не се компрометира от сгъване, намачкване или намокряне на ризата. Единственото важно условие е да не се използва перилен препарат.

Самият експерт подчертава, че иновацията не се отнася до преносимото устройство, а до системната и ефективна интеграция на отделните й елементи.

Според Юин не става въпрос само за събиране на две отделни части, които да бъдат наречени система. Екипът се гордее с това, че обединява компоненти със съвместими характеристики (могат да бъдат принтирани, гъвкави са и се разтягат) и допълваща се функционалност с една и съща крайна цел.

Други приложения на микромрежата

Тя би могла да се използва от атлети и хора, които обичат тренировките. Учените не смятат да се ограничават само с този дизайн и ще търсят още източници на енергия, дори когато човек е седнал в офиса или се разхожда бавно.

Съавтори на проучването “A Self-Sustainable Wearable Multi-Modular E-Textile Bioenergy Microgrid System” са Кионг Нам Ким, Фаршад Техрани, Зузенг Лин, Джесика Ма и други. Финансирането е осигурено от Центъра за преносими сензори към Калифорнийския университет в Сан Диего и Националната фондация за изследвания в Корея.