Непрерывный технический прогресс в области электроники, в том числе и медицинской, движется в сторону уменьшения габаритов и энергопотребления устройств. Одним из наиболее интересных и перспективных в этой области направлений считается разработка устройств, питаемых энергией человеческого тела. Подобные изобретения должны уменьшить зависимость от аккумуляторов и батареек, увеличить мобильность и удобство использования гаджетов и в конечном итоге сократить негативное влияние на окружающую среду, связанное с процессом утилизации современных элементов питания.
Организм человека несёт в себе три основных источника энергии – это кинетическая энергия от движения конечностей, энергия деформации, связанная с мышечной силой, и тепловая энергия. Группа канадских исследователей из отдела конструирования машин Школы передовых технологий (École de technologie supérieure) сосредоточилась на движениях нижней челюсти людей.
С помощью одного только пережёвывания пищи можно получить около 580 джоулей энергии, что эквивалентно мощности порядка 7 милливатт. Преобразовать такую энергию в электричество можно с помощью пьезоэлектрических материалов. Суть их работы заключается в том, что под действием деформации на поверхности материала возникает электрический заряд.
Для создания своего преобразователя энергии авторы работы использовали гибкие пьезоэлектрические волокнистые композиты (ПВК), которые представляют собой очень перспективный класс "умных" материалов. В основе их многослойной структуры лежит слой пьезокерамических волокон диаметром 250 микрометров, окружённых полимерной матрицей из эпоксидной смолы. Этот слой зажат между пластинами медных электродов. Внешнее покрытие ПВК представляет собой полиимидную плёнку (каптон).
Прототип преобразователя энергии состоял из наушников, однослойного пьезоэлектрического подподбородочного ремня и эластичных боковых ремней. Благодаря конструкции устройство очень плотно закрепляется на пользователе для достижения максимальной эффективности.
В ходе испытаний добровольца просили на протяжении 60 секунд жевать жевачку. При этом велась запись частоты жевательных движений, напряжения пьезоэлектрика при растяжении и многих других параметров.
Как сообщается в статье, опубликованной в издании Smart Materials and Structures, максимальное количество энергии, которое могло быть собрано от движений нижней челюсти, было эквивалентно 18 микроваттам, а выходная мощность составила около 10 микроватт.
"Учитывая, что доступная при жевании мощность составляет 7 милливатт, то нам предстоит ещё довольно долгий путь, прежде чем мы усовершенствуем наше устройство", — считает один из соавторов исследования доктор Айдин Дельнаваз (Aidin Delnavaz).
Учёный добавляет, что достигнутого уровня мощности пока недостаточно для питания электронных устройств, но в ближайшем будущем команда планирует увеличить количество слоёв пьезоэлектрика. Так, при использовании 20 слоёв общей толщиной около 6 миллиметров исследователи надеются обеспечить питание 200 микроваттного слухового аппарата.
Также по теме:
Питающиеся от клеток мышц биороботы ходят по команде
Биороботы научились двигаться за счёт сердечных клеток крысы
Новое устройство работает от природной батареи уха
Разработан чип, питающийся от человеческого мозга
Новый компактный бионический глаз заряжается на свету
Учёные разработали беспроводную зарядку для киборгов
