تولید برق از حرکات بدن انسان با بازدهی ۲۸۰ برابری

به گزارش بازار، بازده دستگاه تبدیل انرژی محققان موسسه علم و فناوری دائگو گیونگبوک (DGIST)، ۲۸۰ برابر بیشتر از برداشت کننده‌های انرژی پیزوالکتریک قابل کشش معمولی است.

این دستگاه از اثر پیزوالکتریک استفاده می‌کند: پدیده‌ای که در آن مواد خاصی در پاسخ به تنش مکانیکی بار الکتریکی تولید می‌کنند و این یعنی فعالیت‌هایی مانند راه رفتن، خم شدن یا حتی حرکات ظریف را می‌توان برای تولید برق مهار کرد.

مواد پیزوالکتریک دارای یک عدم تقارن ذاتی در توزیع بار خود هستند. هنگامی که تحت فشار مکانیکی، مانند خم شدن یا کشش قرار می‌گیرند، این عدم تقارن بیشتر تقویت می‌شود و منجر به جدایی بارها و تولید پتانسیل الکتریکی در سراسر ماده می‌شود. این تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی اساس و بنیان برداشت انرژی پیزوالکتریک را تشکیل می‌دهد.

در حالی که برداشت انرژی پیزوالکتریک مفهوم جدیدی نیست، اما به دلیل محدودیت در خواص مواد و طراحی دستگاه، کاربرد آن در دستگاه‌های پوشیدنی پیشرفت چندانی نداشته است.

پروفسور «جانگ کیونگ این» «Jang Kyung-In» مجری این تحقیقات گفت: «در مراحل اولیه تحقیقات، دستگاه‌های پیزوالکتریک غیرآلی کنسولی شکل به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتند که امکان برداشت کارآمد انرژی از ارتعاشات با فرکانس بالا را فراهم می‌کردند.»

وی افزود: «با این حال، این طرح‌های رایج و مرسوم زمانی محدود می‌شوند که در قالب‌های انعطاف پذیر و قابل کشش اعمال شوند. بسیاری از مواد با پاسخ‌های پیزوالکتریک قوی، مانند سرب زیرکونات تیتانات (PZT)، ذاتا سفت و شکننده هستند که همین امر موجب می‌شود برای ادغام در دستگاه‌های پوشیدنی انعطاف پذیر و راحت نامناسب باشند.»

اکنون دانشمندان مرکز DGIST از طریق مهندسی مواد نوآورانه بر این مانع غلبه کرد.

آنها یک ساختار سه بعدی منحصربه‌فرد ابداع کرده‌اند که امکان استفاده از PZT را در عین حفظ درجه بالایی از انعطاف پذیری و کشش فراهم می‌کند.

در این پژوهش آمده است: «ساختارهایی مانند کمانش سه بعدی، برای ایجاد کشش در این دستگاه ها، به طور گسترده‌ای استفاده شده است.»

این ساختار تضمین می‌کند این دستگاه می‌تواند با بدن مطابقت ایجاد کرده و پوشیدن راحت و بدون مزاحمتی فراهم کند.

علاوه بر این، محققان یک طرح الکترود جدید را معرفی کردند. این طرح که به آن «الکترود اتصال انحنای مخصوص» گفته می‌شود، با جلوگیری از لغو بارهای الکتریکی تولید شده در طول حرکت، جذب انرژی کارآمد را تضمین می‌کند. این به میزان چشمگیری به کارایی کلی دستگاه کمک می‌کند.

مجریان این طرح می‌گویند: «این طراحی بر لغو معمولی خروجی الکتریکی مشاهده شده در سیستم‌های معمولی غلبه کرده و تضمین می‌کند که هر بخش از نانو ژنراتور به طور مؤثری به تولید کلی انرژی کمک می‌کند».

این برداشت کننده انرژی بسیار کارآمد، راه را برای ارائه تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی خودکار هموار می‌کند. چنین دستگاه‌هایی به طور بالقوه می‌توانند نیاز به شارژ مکرر یا تعویض باتری را در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام و حسگرهای پزشکی برطرف کنند.

این تحقیق نشان دهنده یک گام بزرگ رو به جلو در زمینه فناوری پوشیدنی است. رویکرد نوآورانه محققان DGIST در طراحی مواد و پیکربندی الکترود، دستگاهی را با قابلیت تغییر نحوه انرژی رسانی به دستگاه‌های پوشیدنی ارائه کرده است.

آنها قصد دارند در پژوهش‌های آینده خود بر تحقیق و توسعه بیشتر در بهینه سازی این فناوری برای کاربردهای تجاری و بررسی قابلیت کامل آن در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی مختلف متمرکز شوند.