Потенциалы пота. Собственное электричество.

Прототип гибкого аккумулятора для нательных устройств, работающий за счёт человеческого пота.

Технологический Университет Наньян.

В погоне за чудесами будущего мы всё чаще упираемся в пределы энергоснабжения этих чудес. Оттого и решение этого вопроса вполне можно назвать основополагающим условием грядущего прогресса. В специализированных изданиях и околонаучных СМИ нередко попадаются статьи об успехах в сфере не только нательной и носимой гибкой электроники, но даже и в киберорганике. Достижения в этих секторах находятся на самом острие научного фронта информационно-вычислительной инженерии, они весьма сложны, требуют много сил и времени и сами по себе являются действительно революционными, однако всем этим устройствам тоже нужна энергия.

Казус в том и состоит, что изобрести гибкую электронику оказалось несколько легче, чем обеспечить её питание. Можно, конечно, зашить (допустим, в майку) обычный аккумулятор от мобильника, но – согласитесь – это будет так себе решение. Да и новация не очень. Потому и трудятся во благо электроснабжения назревающих технологий многие команды исследователей. Причём такие изыскания встречают не меньше препятствий на своём пути, чем разработка непосредственно гибких приборов, для которых элементы питания и предназначены. Но, как и всё в научном мире, эта стезя также не лишена знаковых случайностей, приятных неожиданностей и откровенных удач.

Так, учёные из Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU Singapore), занимавшиеся как раз вопросами энергоснабжения гибких нательных устройств, вдруг обнаружили, что пот человека может выполнять роль электролита. То есть если ранее, во время разработок технологий реализации гибкой нательной оснастки, способность кожи к потоотделению была досадным неудобством, требующим изоляции устройств, то теперь она стала подспорьем. И при том весьма неплохим. Команда разработала мягкую растяжимую батарею, свойства элементов которой усиливаются человеческим потом. Но самое интересное – она питается от него!

Конечно, нельзя сказать, что открытие получилось совершенно случайно, однако элемент сюрприза тоже отменять нельзя. Во-первых, в работе было несколько схем: варианты с различными по составу электродами и разными основаниями-подложками под них, в том числе – изолирующими. Однако в результате тестов и сопутствующих измерений вязкости, напряжения и деформации в электродах опытных образцов, оказалось, что печать электрода со слоем из серебра и гидрофильного полиуретан акрилата оказывает незначительное влияние на механические свойства и даже восстанавливаемость тканевой основы. А по сравнению с использованием тонкой полимерной плёнки в качестве подложки, прямая печать токопроводящими чернилами на пористом текстиле наполняет нижнюю часть электрода пучками волокон и способствует увеличению занимаемой им площади. Именно такая конструкция, обусловив реакцию между электродом и потом, и показала преимущества последнего.

Итак, новая чудо-батарея обладает размерами 2 на 2 см и состоит из серебряных чешуйчатых электродов, вырабатывающих электричество в присутствии пота, которые закреплены на гибком впитывающем текстиле. То есть в целом плоская форма придаёт ей вид небольшой бумажной повязки, которую можно прикрепить, например, к часам или браслету.

Сперва проверять устройство было решено на искусственном поте человека. Всё-таки токи здесь хоть и весьма невелики, однако и они могут доставить неудобства живым испытуемым в случае каких-либо недоработок в прототипе изделия. Тесты прошли удачно, подкрепив надежды учёных на перспективы использования разработки совместно с носимыми биосенсорами и другой нательной электроникой.

Но эксперименты только начинались, и в одном из следующих, где уже участвовал человек, была наглядно продемонстрирована реалистичность означенных планов. В течение получасовых занятий испытателя на велотренажёре, батарея, находившаяся всё это время на запястье, показала токи напряжением 4,2 В и выходной мощностью 3,9 мВт. Авторы говорят, что этого было бы вполне достаточно для питания самого обычного датчика температуры и непрерывной передачи данных на смартфон через Bluetooth.

Не менее важным преимуществом технологии, наряду с интересным и нестандартным, но многообещающим решением, является её «зелёная» природа. В отличие от существующих аккумуляторов, в производстве которых часто используют довольно вредные для окружающей среды неустойчивые материалы, новинка не содержит ни тяжёлых металлов, ни токсичных химикатов. Таким образом, выступая более надёжной альтернативой в плане экологичности, разработка работающей «на поте» батареи может заметно сократить выбросы соответствующих заводов и смягчить их негативное воздействие на планету. Команду это особенно радует, потому что это одна из четырёх великих проблем человечества, которые Наньянский университет стремится решить.

 «Наша технология знаменует собой ранее недостижимую веху в разработке носимых устройств, – говорит профессор Ли Пуй Си, учёный-материаловед, декан Высшего колледжа NTU, руководивший исследованием. – Освоив такой вездесущий продукт, как пот, мы могли бы разглядеть экологически более дружественный способ питания носимых устройств, не полагающийся на обычные батареи. Это почти гарантированный источник энергии, вырабатываемой нашим телом. Мы ожидаем, что аккумулятор будет способен питать все виды носимых устройств».

Но помимо меньшего вреда в плане окружающей среды, соавтор исследования доктор Лю Цзянь, научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии NTU, выделяет ещё одно преимущество, вытекающее из соображений безопасности другого порядка: «Обычные батареи дешевле и более распространены, чем когда-либо, но они <…> потенциально опасны в носимых устройствах, где сломанная батарея может пролить токсичные жидкости на кожу человека. Наше устройство может предоставить реальную возможность полностью избавиться от этих токсичных материалов».

Подчёркивая важность работы, проделанной исследовательской группой NTU, Ирен Голдторп, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии канадского Университета Ватерлоо, которая не принимала участия в исследовании, отмечает значение проекта для науки: «Хорошо известно, что электроника не любит влагу, и поэтому обычно носимые устройства полностью инкапсулированы, дабы защитить их от пота. Эта же работа превращает его из помехи в актив, показывая, что он может улучшить проводимость печатных контактов и даже использоваться как электролит в носимой, гибкой батарее. Это может открыть новую парадигму в разработке носимой электроники».

Как мы уже сказали, изготовленная NTU батарея создана посредством печати с применением краски, содержащей чешуйки серебра и гидрофильного полиуретан акрилата (HPUA). Эти соединения функционируют как электроды, расположенные на растяжимом текстиле. Когда серебро соприкасается с нашим потом, хлорид-ионы и кислотность последнего заставляют драгоценную стружку слипаться, повышая её способность проводить электричество. Кроме того, сама эта химическая реакция также вызывает электрический ток между электродами.

Но это ещё не все сюрпризы: растяжение материала аккумулятора вызывает ещё большее снижение сопротивления в нём, что может быть вызвано истончением «сечения» электродов в сравнении с дозой поступающего в виде пота электролита. А это означает, что батарею можно использовать под нагрузками – например, во время тренировки пользователя.

К этому нужно заметить, что поскольку эластичный текстиль, служащий не только основанием электродов, но ещё и прокладкой между ними и телом, представляет собой весьма абсорбирующий материал, он задерживает довольно много влаги. А это само по себе обеспечивает условия для того, чтобы даже при непостоянной скорости потоотделения аккумулятор оставался включённым. Это очень важно для стабильного продолжения работы, поскольку в иной ситуации функционирование устройств будет слишком сильно зависеть от количества вашего пота. А ведь на него влияют и область тела, в которой находится элемент питания, и условия окружающей среды. Да что там, эти показатели варьируются даже от погоды, времени суток и того, насколько хорошо вы выспались!

Исследователи заявляют, что новинка может быть более долговечной, чем имеющиеся современные технологии: «Она может выдерживать нагрузку от пользовательской повседневной деятельности, а также многократное воздействие напряжения или пота», – подтверждает профессор Ли и добавляет: «Тонкий размер нашей батареи также решает две проблемы в носимых устройствах: традиционные объёмные батареи – проблема для достижения своего рода гладкой эстетики, привлекающей потребителей, в то время как более тонкие батареи снижают способность элемента нести достаточно заряда, чтобы работать в течение дня».

Сейчас исследователи продолжают изучение влияния других компонентов пота на производительность батареи. Например, как могут сказаться на этом различные факторы вроде температуры тела? Нужно узнать множество дополнительных вещей даже если они не пригодятся.

Хотя, учитывая данный опыт, стоит ли быть категоричным?

АРМК, по материалам NTU и Science Advances.