×

Исследователи из Вашингтонского университета создали первое в своём роде гибкое носимое термоэлектрическое устройство, которое преобразует тепло тела в электричество. Источник.

Носимая электроника становится неотъемлемой частью повседневной жизни всё большего числа пользователей. Все эти медицинские датчики (или трекеры здоровья), фитнес-браслеты, так называемые умные часы и гарнитуры виртуальной реальности требуют немало энергии. Их батареи приходится регулярно заряжать от сети, во время чего, естественно, мы вынуждены обойтись без них. В идеале, конечно же, нам нужны способы непрерывного питания этих устройств, однако найти их – непростая задача. Тем более, что интересных идей для такого типа гаджетов с каждым годом появляется всё больше.

Что мы можем сделать для этого, учитывая, что физика категорически против вечного двигателя? С одной стороны – зная, что динамика может создавать электричество, – мы можем создать миниатюрную носимую динамомашину, работающую за счёт наших движений. А с другой, мы также знаем, что человек сам вырабатывает микротоки и много чего ещё. Например – тепло. Поэтому использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ), способных преобразовать в электричество это самое тепло нашего тела, является одним из самых перспективных решений.

Однако такие сборщики энергии должны будут эксплуатироваться на поверхностях, явно не соответствующих понятию плоскости, а также, что особенно важно в нашем случае, в условиях сложных и регулярных деформаций. Будущим устройствам нужно соответствовать не только искривлениям, но ещё и сводить к минимуму возможные препятствия для теплообмена – иначе о поддержании эффективности не может быть и речи. И, наконец, они должны быть прочными настолько, чтобы суметь сохранять свои свойства при повышении интенсивности эксплуатации.

Вот на эти аспекты и нацелились исследователи из Вашингтонского университета. В итоге у них получилось первое в своём роде устройство, способное и преобразовать тепло тела в вожделенное электричество, и решить поставленные задачи. Эта гибкая носимая термоэлектрическая инновационная конструкция обладает всеми искомыми, но довольно трудносовместимыми свойствами: она мягкая и растяжимая, но в то же время прочная и производительная.

«Это 100-процентный выигрыш, если мы собираем тепловую энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую в окружающую среду. Поскольку мы хотим использовать эту энергию для электроники с автономным питанием, необходима более высокая плотность мощности, – поясняет Мохаммад Малакути, доцент машиностроения из Университета Вашингтона. – Мы используем аддитивное производство для изготовления растягиваемой электроники, повышаем её эффективность и обеспечиваем беспрепятственную интеграцию в носимые устройства, одновременно отвечая на вопросы фундаментальных исследований».

Прототип устройства показал весьма неплохие эксплуатационные характеристики: при 30% деформации по истечении тестовых испытаний, включавших более 15 000 циклов растяжения и сжатия, его функциональность полностью сохраняется. Это, конечно, не идеал, но для прототипа такие показатели можно считать не просто достойными, а даже на редкость удачными, особенно если учесть важность такой ресурсоёмкости для носимой электроники и мягкой робототехники. Разработка также практически обогнала всех своих предшественников из числа растяжимых термоэлектрических генераторов, увеличив удельную мощность в 6,5 раз!

Несущая конструкция выполнена путём объёмной послойной печати композитов с заданными на каждом слое структурными особенностями, обусловившими некоторые свойства и определённый функционал. В качестве заполнителя, на который легла задача обеспечить высокую электро- и теплопроводность, использовали материал, содержащий жидкие металлические сплавы. То есть в целом устройство представляет собой мягкий и в то же время прочный жидкометаллический эластомерный композит с индивидуальной микроструктурой, состоящий из высокотеплопроводных материалов и растяжимых соединений. Кстати, применяемые в изделии сплавы устраняют немало ограничений, свойственных предыдущим устройствам-аналогам. Например, они дружественны процессам растяжения и сжатия, повышают теплопередачу и заметно упрощают процесс изготовления подобных изделий.

Кроме того, послойное внедрение командой структурных особенностей в ходе печати устройства сформировало в теле материала полые микросферы, которые направляют тепло на полупроводники в основном слое и, заодно, облегчают девайс.

То есть, в принципе, все условно идеальные характеристики таких генераторов наконец-то получилось воссоздать в одном аппарате. Это, конечно, впечатляет, но исследователи запасли ещё одного туза в рукаве: они уверяют, что эти устройства можно печатать на растяжимых текстильных тканях и практически любых изогнутых поверхностях. То есть будущие элементы питания можно будет расположить почти везде. Например, встроить прямо в вашу одежду: покупаете спортивный костюм? – что ж, все датчики, сенсоры и умная электроника вкупе с элементами питания – уже там. Мы становимся на шаг ближе к фантастике, и команда не скрывает воодушевления будущими возможностями своей разработки.

Но более всего учёные отмечают не перспективы, а сам путь реализации идеи:  

«Уникальный аспект нашего исследования заключается в том, что оно охватывает весь спектр, весь путь от синтеза материалов до изготовления устройства с формированием характеристик, – говорит Малакути, который также является научным сотрудником Института наноинженерных систем Университета Вашингтона. – Это даёт нам свободу разрабатывать новые материалы, проектировать каждый этап процесса и проявлять творческий подход».

 


АРМК, по материалам Tech Xplore.