Zavinování prstů vám jednoho dne umožní provozovat nositelná zařízení, když spíte

nositelná zařízení Teď příliš horkoSpotřebitelé pouze v prvním čtvrtletí roku 2021 shromáždili více než 100 milionů jednotek inteligentních hodinek, fitness trackerů, brýlí s rozšířenou realitou a podobných technologií. Tržby v této kategorii se ve druhém čtvrtletí druhého čtvrtletí roku 2020 zvýšily o 34,4 procenta, což z ní činí jednu z nejrychleji rostoucích kategorií osobní elektroniky.

Tento vzestup přichází se zvýšenou poptávkou po praktických a efektivních sklízečích energie, které jsou schopné nepřetržitě napájet tato nositelná zařízení. Nyní tým inženýrů z Kalifornské univerzity v San Diegu navrhl nový typ biopalivového článku, který využívá energii z potu vašich prstů, podle nedávný papír Publikováno v časopise Jules. Buňka může být také kombinována s piezoelektrickými generátory pro získávání energie z tlaku prstů. Hack může jednoho dne umožnit napájet vaše nositelná zařízení, když píšete nebo spíte.

Většina nositelných elektronických zařízení je dnes napájena malými elektrochemickými paměťovými zařízeními, jako jsou baterie a superkondenzátory, ale tato zařízení mají omezenou dobu, po kterou mohou napájet elektronická zařízení na velký dosah. Kromě hledání chytrých způsobů, jak dále snížit spotřebu energie těchto zařízení, se vědci dívají na sklízeče energie jako na slibné potenciální řešení. Některá čidla s vlastním napájením podle autorů úspěšně snižují spotřebu energie, ale tato zařízení nejsou schopna ovládat signály potřebné pro efektivní přenos dat.

Existuje tedy velký zájem o vývoj soběstačných systémů sklizně, které čerpají energii ze slunečního záření, pohybů těla, biopaliv nebo teplotních gradientů (tj. Staromódní termodynamiky). Každý typ má své limity. Například ne vždy svítí slunce a termoelektrická zařízení potřebují rozdíl teplot mezi nositelem a jeho okolím. Sklízecí stroje, které se spoléhají na tělesné pohyby, obvykle vyžadují namáhavé cvičení k získání potřebné energie.

Hlavní výzvou, které čelí všechny tyto nové zdroje energie, je opatření zvané energetická návratnost investic (EROI), což je v zásadě poměr mezi množstvím energie aktivně investované do systému, který by jinak byl vyžadován, a množstvím energie, které je nakonec sklizeno. Například zařízení na získávání energie založené na pohybu využívá méně než 1 procento veškeré energie, kterou do něj člověk vloží energickým cvičením. V ideálním případě chcete energetickou sklizeň založenou na nepřetržitém pasivním vstupu z lidského těla.

„Za normálních okolností chcete maximální návratnost své investice do energie. Nechcete vynaložit spoustu energie cvičením, abyste získali zpět jen trochu energie,“ Spoluautor Joseph Wang z University of California, San Francisco, řekl:Jeho laboratoř před osmi lety vyvinula buňky biopaliva, které získávají energii z vysoké koncentrace laktátu v lidském potu. „Ale tady jsme chtěli vytvořit zařízení, které se přizpůsobí každodenní činnosti, která nevyžaduje téměř žádnou investici energie – na zařízení můžete úplně zapomenout a jít spát nebo pracovat na stole, jako je psaní, a přitom stále generovat energii. Můžete to nazvat „moc nic nedělat“ „.

Ve skutečnosti podle Wanga a další. Jejich zařízení nabízí dosud nejlepší EROI pro bioenergetické kombajny. Věří, že to představuje posun paradigmatu od toho, čemu říkají „pracovat pro moc“, k „žít v moci“.

Jejich tajemství: pasivní pocení známé jako pot prstů. Naše ruce a prsty produkují mnohem více potu, než si uvědomujeme, protože naše prsty jsou neustále vystaveny vzduchu, což umožňuje rychlé odpaření jakéhokoli potu. Ve skutečnosti konečky prstů obsahují nejvyšší koncentraci potních žláz kdekoli v lidském těle, včetně pod paží. Konce prstů produkují pot rychlostí až několika mikrolitrů na centimetr.

„I při přesném množství potu ve srovnání s potem, který získáte při opravdu intenzivním tréninku, je tato síla stále docela významná,“ řekl spoluautor Lu Yin. Řekněte to novému vědci. „Bez ohledu na to, jak čistá je tvoje ruka, je velmi snadné nechat otisk prstu všude. To je v podstatě zbytek tvého potu se spoustou metabolitů. To, co jsme udělali, je využít toho.“

Nový UCSD Biofuel Cell je tenký, flexibilní pásek, který se snadno obtočí kolem prstů jako Band-Aid. K dispozici je elektrodová podložka vyrobená z uhlíkové pěny a hydrogel, který absorbuje jakýkoli pot. Enzymy v elektrodách poté spouštějí chemické reakce mezi molekulami laktátu a kyslíku v potu za účelem výroby elektřiny. Vědci poté přidali piezoelektrický čip, aby bylo možné vyrobit více energie pouhým přiložením prstů k tělu. Tato energie se poté ukládá do malého kondenzátoru, dokud není potřeba.

Tým UCSF zjistil, že jejich biopalivová buňka může produkovat přibližně 400 milijoulů energie na čtvereční centimetr (dost na to, aby poháněly elektrické náramkové hodinky po dobu 24 hodin), zatímco testovaná osoba spala deset hodin. Hodina lehkého psaní nebo kliknutí myší vyprodukovala z hrotu jediného prstu přibližně 30 milijoulů. Přidání čipů k ostatním prstům může vyprodukovat až desetkrát více energie, což přináší obrovskou návratnost investic do energie. „Když spíš, nepracuješ“, řekl jin. „I při klepnutí jedním prstem investujete jen asi půl milijoule.“

Aby demonstrovali praktičnost svých zařízení, vědci z Kalifornské univerzity v San Francisku připojili svůj biopalivový článek k chemickému senzoru na malou elektrickou obrazovku s nízkou spotřebou energie, která poskytuje čtení dat shromážděných senzorem. Připojili systém k subjektu, aby po užívání doplňku sledovali hladinu vitaminu C. Další experiment zahrnoval zapnutí senzoru sodíku pro sledování počtu iontů sodíku ve vzorku solného roztoku. Vědci zjistili, že senzor i displej lze zapnout stisknutím zařízení desetkrát každých deset sekund nebo jednoduše tak, že budete mít pásku na špičce prstu po dobu dvou minut.

Dalším krokem je zlepšení účinnosti tohoto nového biopalivového článku a jeho kombinace s jinými typy kombajnů v přesně cílených situacích. Hydrogelovou složku lze také vylepšit, aby se zlepšila trvanlivost a zadržování vlhkosti během prodlouženého a opakovaného provozu. „Vysoce účinná, snadno použitelná, biokompatibilní technologie získávání energie v kombinaci se systémovou integrací a odpovídajícím energetickým rozpočtováním nabízí velký příslib pro vytvoření udržitelných, spolehlivých a autonomních elektronických systémů nové generace pro sledování zdravotní péče a wellness,“ autoři uzavírají.

DOI: Joule, 2021. 10.1016 / j.joule.2021.06.004 (O DOI).

Seznam obrázků od University of California, San Francisco School of Engineering