×

Гибкий и растягивающийся K-TENG для сбора энергии человека. Источник.

Как давно вы делали зарядку?

По некоторым данным утро подавляющего большинства россиян обходится без неё: кофе, соцсети и прочие интернеты ‒ основные атрибуты начала дня. Но это касается только зарядки нашего организма. Что же до смартфонов, умных часов и прочих гаджетов, тут прогульщиков куда меньше ‒ все прекрасно знают, что обычно люди остаются без связи в самый неподходящий момент, и все знают, как этого избежать. Зарядки втыкаются в розетки, кабели ‒ в устройства, глаза ‒ в экраны… Всё, процесс пошёл: страна на зарядке.

Но у того меньшинства, которое с утра практикует физкультуру, кроме более крепкого здоровья вскоре может появиться ещё один козырь в виде экономии на электричестве.

Человеческий организм уже давно привлекает учёных как один из возобновляемых источников энергии. Помимо химической составляющей внутренних процессов, из которой не добыть ресурсы, не повредив тело (привет фильму «Матрица»), в его деятельности также много механики. А её как раз и можно использовать в деле энергопроизводства, никак при этом не рискуя здоровьем человека. Достаточно, например, вставить генератор в велотренажёр: не просто безвредное, а даже полезное решение, так ведь?

Однако на деле куда интереснее научиться собирать потенциалы чуть ли не с каждого нашего движения, поскольку таким образом мы сможем повысить автономию носимой электроники. И хоть сама она уже давно и успешно растёт в направлении миниатюризации и гибкости, но осуществить задуманное довольно не просто: энергия наших движений не только вопиюще нерегулярна для успеха предприятия, но и весьма низкочастотна. Эти причины делают невозможным традиционный режим выработки электромагнитной энергии: ему нужна непрерывность и довольно высокие обороты, а в предлагаемых природой наших тел условиях существующие решения не могут собрать их энергию эффективно. А ведь задачу усложняет ещё одно требование к будущему механизму: он не должен влиять на нормальную деятельность организма ‒ то есть на нашу повседневную жизнь. Поэтому наиболее привлекательно для учёных выглядят перспективы и направление разработок гибких, складных и даже растягивающихся устройств для сбора энергии.

«Электроснабжение является узким местом в развитии носимых электронных устройств. В настоящее время <…> обычно используют традиционные химические батареи для энергоснабжения, что ограничивает экологичность, ‒ говорит профессор Китайской академии наукКай Донг. ‒ Использование энергии движения человека для питания носимых электронных устройств ‒ идеальный способ реализации решений в области питания на месте».

Некоторое время назад учёные создали трибоэлектрические наногенераторы (TENG) ‒ фактически новый метод сбора энергии, способный решить проблемы нерегулярности и низкой частоты испытываемых нагрузок. С тех пор на их основе активно разрабатываются и внедряются различные решения по сбору энергии: гибкие тротуарные и дорожные покрытия, подошвы и даже стельки в обуви. Они весьма эффективно справляется со сборами механической энергии из вибраций, звуковых волн, падения дождевых капель и так далее. 

«Это новая технология преобразования энергии, которая может эффективно преобразовывать механическую энергию движения человека в электрическую энергию», ‒ поясняет профессор.

Тем не менее в существующем виде TENG не могут нам помочь в достижении означенной цели. При всей их гибкости и растяжимости загвоздка кроется именно в этом: они попросту недостаточно эластичны. То есть, едва открыв нам возможность решения задачи, эти устройства тут же поставили перед нами новое условие своего использования: необходимо создать такую их модификацию, чтобы она была пригодна для ежедневного ношения и использования на поверхности вашего тела.

Сегодня искомые гибкость и растяжимость трибоэлектрических наногенераторов достигается в основном за счёт свойств материалов, из которых их производят. Но команда китайских учёных из Лаборатории материалов на озере Суншань (Китайская академия наук) пошла по другому пути, оттолкнувшись от свойств задаваемой устройству формы.

Исследователи применили киригами ‒ родственное оригами искусство складывания фигурок из бумаги. Разница между методами в том, что новая традиция (датой рождения киригами считается 1980 год) предполагает резку бумаги для нужной конфигурации элементов; древняя же, в отличие от неё, оперирует только сложением и клеевыми пропитками для закрепления конечной формы изделия. Таким образом, на основе методов надрезов на цельном листе бумаги, из неэластичных материалов получилось создать дышащий, пригодный для носки растягивающийся TENG.

«Носимая электроника продвигается в направлении миниатюризации и гибкости, ‒ акцентирует профессор Донг, ‒ и носимый TENG в качестве источника питания вполне соответствует тенденции развития носимой электроники».

Благодаря своей инновационной конструкции такая модификация наногенераторов, получившая название K-TENG (привет от киригами), может достигать предела прочности при растяжении до 220%. Примечательно, что эта характеристика растяжения не зависит от свойств самого материала изготовления. Когда человек размахивает руками, K-TENG может преобразовывать механическую энергию его движения в электрическую даже будучи закреплённым на одежде. При этом сумма вырабатываемой электроэнергии может напрямую приводить в действие 50 светодиодных ламп и цифровые часы или накапливаться в литиевой батарее для зарядки смарт-часов и смартфона соответственно.

Таким образом, исследование показывает, что применённый подход электропрядения (или электроспининга ‒ метода производства наноразмерных волокон путём электрического вытягивания заряженных нитей из полимерного сырья) и киригами в состоянии не только увеличить продолжительность работы электронных устройств в режиме ожидания, но и обеспечить автономное питание для мелкой носимой электроники вроде медицинских датчиков. Такое решение энергоснабжения in situ («на месте») для подобных целей имеет действительно большие перспективы.

«Они могут преобразовывать механическую энергию повседневной деятельности человеческого тела в электрическую энергию, чтобы продлить срок службы батарей электронных изделий и даже обеспечить автономное питание, ‒ пишут исследователи в статье по разработке, опубликованной в издании IOP Publishing.

Это нововведение на основе нановолокон с сильно растягивающимся рисунком способно изменить форму энергоснабжения носимых электронных изделий в будущем. Кроме того, данная технология будет способствовать совершенствованию носимой электроники, разработке её новых модификаций с учётом экологически чистых и удобных методов энергоснабжения.

А теперь интересно: станет ли это мотивацией для нас начинать утро с «вдох глубокий, руки шире…»?

 


АРМК, по материалам Materials Futures.