Совсем без розетки: «носимая микросеть» заряжает гаджеты прямо от человеческого тела

Несмотря на быстрое развитие самых разных устройств для сбора и хранения энергии, их разумная интеграция в эффективные и автономные носимые системы не получила широкого распространения.

Специалисты по нанобиоэлектронике из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали «носимую микросеть», которая использует энергию человеческого тела для питания небольшой электроники. В отличие от более ранних гибридных носимых систем, новая микросеть полагается исключительно на человеческую деятельность. У нее три составляющие: биотопливные элементы, которые работают от пота, трибоэлектрические генераторы, зависящие от движения, и суперконденсаторы, накапливающие энергию. Все эти компоненты гибкие, их можно стирать и наносить при помощи трафаретной печати на одежду.

Элементы «носимой микросети» ученые разместили на рубашке таким образом, чтобы оптимизировать количество собираемой энергии. Так, биотопливные компоненты, которые аккумулируют энергию из пота, расположили на изнаночной стороне рубашки в области груди. 

Трибоэлектрические генераторы — устройства, преобразующие энергию движения в электричество, — нашли свое место на внешней части рубашки: на предплечьях и по бокам рядом с талией. Их задача — собирать энергию от движения рук относительно туловища во время ходьбы или бега. 

Суперконденсаторы (под рубашкой на груди) временно накапливают энергию от обоих устройств, а затем разряжаются для питания небольшой электроники.

Сбор энергии как от движения, так и от пота позволяет микросети быстро и непрерывно обеспечивать питание небольших гаджетов. Трибоэлектрические генераторы вырабатывают энергию сразу же, как только пользователь начинает двигаться. Как только он начинает потеть, биотопливные элементы подают энергию и продолжают делать это даже после того, как пользователь перестанет двигаться.

Таким образом, эти компоненты дополняют друг друга, обеспечивая быстрый запуск системы и непрерывную подачу электроэнергии. Вся система загружается в два раза быстрее, чем при использовании одних только биотопливных элементов или трибоэлектрических генераторов, как в других изобретениях, и служит в три раза дольше.

Все детали соединены гибкими серебряными проводами, которые также нанесены на рубашку и изолированы водонепроницаемым покрытием. На характеристики компонентов не влияют повторяющиеся сгибания, складывания и смятия, а также стирка в воде, если не используется моющее средство.

«Носимую микросеть» протестировали на испытуемом в течение 30-минутных занятий. Сюда входили 10 минут непосредственно тренировки на велотренажере или бега и 20 минут отдыха. В результате на протяжении всего получаса система могла питать либо наручные часы с ЖК-дисплеем, либо небольшой электрохромный дисплей — устройство, меняющее цвет в ответ на приложенное напряжение.

Главное достижение этой работы — не сами носимые устройства, а их систематическая и эффективная интеграция. Важно, что все элементы имеют совместимые форм-факторы (их можно наносить при помощи печати, они гибкие и растягиваемые), соответствующие характеристики и дополнительные функции, то есть все они полезны для одного и того же сценария (в данном случае движения).

Конкретная система интересна для использования в легкой атлетике и просто при тренировках. Но авторы разработки говорят, что «носимую микросеть» можно адаптировать под другие сценарии, просто меняя комбинации устройств для сбора энергии. Сейчас инженеры работают уже над другими конструкциями, которые могут аккумулировать энергию, когда пользователь сидит в офисе или медленно передвигается.