Кредит: Вашингтонский университет
Одним из недостатков фитнес-трекеров и других носимых устройств является то, что их батареи со временем разряжаются. Но что, если в будущем носимые устройства смогут использовать тепло тела для питания?
Исследователи из Вашингтонского университета разработали гибкий, прочный электронный прототип, который может собирать энергию из тепла тела и превращать ее в электричество, которое можно использовать для питания небольших электронных устройств, таких как батареи, датчики или светодиоды. Это устройство также устойчиво — оно продолжает работать даже после того, как его несколько раз прокалывают, а затем растягивают 2000 раз.
Команда подробно описала эти прототипы в статье, опубликованной 30 августа в журнале Advanced Materials.
«У меня было это видение давно», — сказал старший автор Мохаммад Малакути, доцент кафедры машиностроения Вашингтонского университета. «Когда вы надеваете это устройство на кожу, оно использует тепло вашего тела для непосредственного питания светодиода. Как только вы надеваете устройство, светодиод загорается. Раньше это было невозможно».
Традиционно устройства, использующие тепло для генерации электроэнергии, являются жесткими и хрупкими, но Малакути и его команда ранее создали устройство, которое является очень гибким и мягким, чтобы оно могло соответствовать форме чьей-то руки.
Это устройство было разработано с нуля. Исследователи начали с моделирования, чтобы определить наилучшее сочетание материалов и структур устройства, а затем создали почти все компоненты в лаборатории.
Кредит: Вашингтонский университет
Он состоит из трех основных слоев. В центре находятся жесткие термоэлектрические полупроводники, которые выполняют работу по преобразованию тепла в электричество. Эти полупроводники окружены 3D-печатными композитами с низкой теплопроводностью, что улучшает преобразование энергии и снижает вес устройства.
Для обеспечения растяжимости, проводимости и электрического самовосстановления полупроводники соединены с печатными следами жидкого металла. Кроме того, капли жидкого металла встроены во внешние слои для улучшения теплопередачи к полупроводникам и поддержания гибкости, поскольку металл остается жидким при комнатной температуре. Все, кроме полупроводников, было спроектировано и разработано в лаборатории Малакути.
Малакути сказал, что помимо носимых устройств эти устройства могут быть полезны и в других приложениях. Одна из идей заключается в использовании этих устройств с электроникой, которая нагревается.
«Вы можете представить, что прикрепляете их к теплой электронике и используете это избыточное тепло для питания небольших датчиков», — сказал Малакути. «Это может быть особенно полезно в центрах обработки данных, где серверы и вычислительное оборудование потребляют значительное количество электроэнергии и генерируют тепло, требуя еще больше электроэнергии для поддержания их охлаждения».
«Наши устройства могут улавливать это тепло и повторно использовать его для питания датчиков температуры и влажности. Такой подход более устойчив, поскольку он создает автономную систему, которая отслеживает условия, одновременно снижая общее потребление энергии. Кроме того, нет необходимости беспокоиться об обслуживании, замене батарей или добавлении новой проводки».
Эти устройства также работают в обратном направлении: добавление электричества позволяет им нагревать или охлаждать поверхности, что открывает еще одно направление для применения.
«Мы надеемся когда-нибудь добавить эту технологию в системы виртуальной реальности и другие носимые аксессуары, чтобы создавать ощущения тепла и холода на коже или повышать общий комфорт», — сказал Малакути. «Но мы пока не достигли этой цели. На данный момент мы начинаем с носимых устройств, которые эффективны, долговечны и обеспечивают температурную обратную связь».
Дополнительная информация: Юнгшанг Хан и др., 3D Soft Architectures for Stretchable Thermoelectric Wearables with Electrical Self-Healing and Damage Tolerance, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202407073
Информация о журнале: Advanced Materials Предоставлено Вашингтонским университетом
