Захранването на носимите устройства: нерешеният пъзел

Захранването на носимата електроника ще разчита не на батерии, а на вградени генератори (снимка: CC0 Public Domain)

Когато стане дума за носими устройства, повечето от нас си представят смарт-часовник. Но какво ще кажете за GPS яките за проследяване на дивите вълци? Това също са носими устройства. А тяхното енергийно захранване трябва да е много дълготрайно и да не изисква човешка намеса. Захранването на носимите устройства остава едно от най-големите предизвикателства за съвременния технологичен свят.

Носимите устройства, като почти всяка друга част от техниката, се нуждаят от енергия. Предвид скромните енергийни ресурси на носимите устройства е хубаво, че енергията може да се добива почти навсякъде. Тя е в слънчевите лъчи и радиовълните, потта на кожата и телесната топлина, движението и стъпките. И днес технологията е узряла до такава степен, че могат да бъдат събрани значителни количества от тези енергийни потоци, за да може носимите устройства изобщо да нямат нужда от батерия.

„Енергията е нещо, което приемаме за даденост. Просто включваме нещата в контакта и те работят, сякаш енергията е нещо повсеместна като въздуха. Но всъщност за да ползваме тази енергия, тя първо трябва да бъде генерирана някъде“, казва Алпер Бозкурт, който заедно с Вийна Мисра ръководи Центъра за усъвършенствани системи за самостоятелно захранване от интегрирани сензори и технологии (ASSIST) в Държавния университет на Северна Каролина.

Най-известната технология за екологично събиране на енергия днес е, разбира се, фотоволтаиката. Тя изтегля електрони от слънчева или околна светлина. Но слънчевата енергия е само част от пъзела. Има широка гама от възможности за събиране на достатъчно микровати, така че да можем да заменим батериите за носими устройства. Сред тях са пиезоелектрични и трибоелектрични генератори, които използват механичното напрежение и електростатичните свойства на материалите за генериране на електричество. Междувременно, добре познатият феномен на електромагнитната индукция също може да е от полза.

Въпреки че носимите устройства обикновено не изискват много енергия, те трябва да са лесни за носене. Раница с гигантски слънчев панел може да работи технически, но не и в действителност. Лекият сензор за човешкото здраве е чудесно нещо, но не би бил от полза за биолозите, които се опитват да окачат тракер на врата на бизон до края на живота му.

Разнообразието от нужди – и енергийни източници – е очевидно във вълната от скорошни изследвания за събиране на енергия, включително някои хибридни проекти.

Да разбиеш потта

Вей Гао от Калифорнийския технологичен институт е разработил самозахранваща се „електронна кожа“. Е-кожата, казва той, е вградено в сензор устройство, приложено директно върху кожата, което чете и предава здравни индикатори като сърдечен ритъм, телесна температура, кръвна захар и метаболитни странични продукти.

„Персонализираното здравеопазване може да революционизира традиционната медицинска практика“, казва Гао. „Но за да включим много различни видове сензори, имаме нужда от различни дизайни на материали и инструменти. Не на последно място сред тези съображения е съхранението [и генерирането] на енергия“.

Първата електронна кожа на Гао, създадена през април 2020 г., е направена от мека, гъвкава гума и използва потта на пациента, за да захранва устройството. Използвайки вградени горивни клетки, устройството абсорбира лактата в потта и го комбинира с атмосферния кислород, за да генерира вода и пируват. Чрез този процес биогоривата генерират достатъчно електричество за захранване както на сензорите на електронната кожа, така и на предаването на данни, непрекъснато зареждайки кондензатор от 1,5 до 3,8 волта за около 60 часа.

Месеци по-късно Гао и неговият екип разработват модел на електронна кожа, който използва кинетичната енергия от движението. Трибоелектричната система освобождава ток от относителното движение на материали с различни електростатични свойства. Тази електронна кожа от второ поколение включва тънки листове от тефлон, мед и полиимид, които се приплъзват, докато човекът се движи, генерирайки максимална мощност от 0,94 миливата.

По-нататък екипът на Гао използва 3D принтиране, за създаването на основните компоненти. Е-кожата използва вече използва набор от сензори, покрити с хидрогел електроди и други, заедно със суперкондензатор с микроразмер, който в този случай се захранва от слънчева клетка.

Смарт-часовник за бизон

Много проекти за носими технологии се фокусират върху здравето или други човешки нужди. Но биолозите се интересуват ит събирането на енергия за проследяване на диви животни. За тези цели сегашната технология е недостатъчна. Батериите се изчерпват много преди края на живота на животните. Слънчевата енергия не е удачен вариант – неприложима е за нощните животни или тези, обитаващи в среда с ниска осветеност. А малкото трибоелектрично устройство, което събира енергия от вечерния джогинг на бегача, не може да издържи на предизвикателствата на бягането на огромния див бизон, който може да тежи до един тон и се бие яростно с други бизони по време на размножителния период.

Ситуацията е вдъхновила екипи от изследователи от Университета на Копенхаген, Техническия университет на Дания и Института „Макс Планк“ в Германия да създадат по-добър носим генератор за целите на биолозите: за проследяване на диви животни, в идеалния случай, през целия им живот. Понастоящем тази цел е недостижима с използването на устройства, захранвани от батерии и слънчева енергия.

Учените са създали GPS тракер, който в дивата природа може да се презарежда просто от самото движение. Екипът тествал своите устройства с три животински вида: четири домашни кучета, ексмурско пони и европейски бизон.

Технологията е вдъхновена от самонавиващите се часовници, които съществуват от края на 18 век и трансформират движението на китката в енергия. Изследователите закупили търговски микрогенератор, предназначен за носими и IoT устройства, и го комбинирали с литиево-йонен кондензатор и персонализиран GPS-активиран тракер, който предава данни чрез безжична мрежа с ниска мощност от типа Sigfox.

Първият нашийник, който учените поставят на бизона, бива унищожен моментално. „Това са 900-килограмови животни, които се блъскат в дърветата. Това не е тип употреба, който можем да срещнем при носимите устройства за хора,“ казва Троелс Грегерсен, гост-учен в Института „Макс Планк“.

Вземайки поука от първата версия, екипът в крайна сметка създава персонализиран тракер като яка. Учените съчетават мирогенератор от автоматичен часовник, базиран на махало, с феромагнитен пръстен, поставяйки комбинацията около намотка от медна жица. Докато махалото се люлее напред-назад при движението на животното, пръстенът създава променлив ток в намотката – а верига за удвояване на напрежението го трансформира в постоянен ток.

„Има голяма стойност в това да можеш да поставиш тракер веднъж, когато животното се роди, или да трябва да го упоиш само веднъж“, казва Грегерсен. Джаджата е сглобена от готови, стандартни части, закупени от магазина. Проектът й е публикуван под свободен лиценз. И докато традиционният тракер за диви животни струва от 3500 до 4000 евро, този коства общо 270 евро.

Все по-нови технологии

Гледайки към бъдещето, някои изследователи се фокусират върху комбинирането на уникални материали и създаването на системи за събиране на енергия от по-устойчиви материали. Екип, включващ изследователи от японския университет Тохоку, наскоро разработи издръжлив, ефективен енергиен генератор, който съчетава пиезоелектрични композити с полимер, подсилен с въглеродни влакна (CFRP).

Прототипното устройство е изработено от този CFRP, наночастици от натриев калиев ниобат (KNN) и епоксидна смола. Според екипа, устройството все още може да съхранява електричеството, което генерира, дори след 100 хиляди използвания (каквото и да значи това).

Технологията е приложима за носими устройства или IoT джаджи, включително инфраструктурни системи за укрепване на мостове и магистрали, които усещат, когато се появи пукнатина, дупка или друга повреда.

Накъде вървят разработките

Каквито и да са технологиите, всяка крачка напред е безценна. Сладкото място, казва Бозкурт от центъра ASSIST, ще бъде в анализа на данни и съпоставянето на възможностите за събиране на енергия за събиране и предаване на данните, от които потребителите наистина се нуждаят.

„Ако измеря сърдечния ви ритъм в пикосекунди, това би било загуба, защото сърцето ви не бие толкова бързо“, казва той. „Но за един проект ние попитахме лекарите: „Колко данни ви трябват?“ Те отговориха „Не знаем. Преглеждаме своите пациенти всеки месец, така че ако получим повече от един месечен отчет, това ще бъде прогрес.“