Τι Είναι η Κινητική Ενέργεια Συγκομιδή;

Η κινητική ενέργεια που συλλέγεται συλλαμβάνει μηχανική ενέργεια που παράγεται με κίνηση και τη μετατρέπει σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Η έννοια βασίζεται στη θεμελιώδη φυσική: κάθε κινούμενο αντικείμενο μεταφέρει κινητική ενέργεια που μπορεί να μετατραπεί μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, πιεζοηλεκτρικών εφέ, ή ηλεκτροστατική επαγωγή. Σε φορητή τεχνολογία, αυτή η αρχή επιτρέπει στις συσκευές να ανιχνεύουν ενέργεια από την ανθρώπινη κίνηση ⁇ περπάτημα, τρέξιμο, ή ακόμα και χειρονομίες ⁇ χωρίς να βασίζονται σε εξωτερικές εξόδους ή μπαταρίες μιας χρήσης.

Για παράδειγμα, μια γρήγορη βόλτα μπορεί να παράγει 1 ⁇ 10 χιλιοστά συνεχούς ισχύος ανάλογα με το σχεδιασμό και τη δύναμη απεργίας ποδιών της θεριστικής μηχανής. Ενώ δεν είναι αρκετό για να φορτίσει ένα τηλέφωνο άμεσα, ότι η ενέργεια μπορεί να τρεκλίσει-φορτίζει μια μικρή μπαταρία ή υπερκαπάκιτορ σε αρκετές ώρες. Οι ερευνητές έχουν επιδείξει γεννήτριες τοποθετημένες σε παπούτσια που αποδίδουν έως 250 χιλιοστά κάτω από το βαρύ περπάτημα, αρκετό για να τροφοδοτήσει ένα χαμηλό ⁇ ενεργό αισθητήρα Bluetooth ή ένα φθαρτό ανιχνευτή γυμναστικής.

Πώς Κινητική Συγκομιδή λειτουργεί σε έξυπνα Υποδήματα

Τα έξυπνα παπούτσια ενσωματώνουν μία ή περισσότερες τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας στη σόλα, τη φτέρνα ή την εσωτερική σόλα. Όταν το πόδι του χρήστη συμπιέζει τη σφήνα με κάθε βήμα, η μηχανική καταπόνηση ή μετατόπιση παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το ρεύμα διορθώνεται, ρυθμίζεται, και αποθηκεύεται σε επαναφορτιζόμενη μπαταρία ή υπερκαπάκιτορ ενσωματωμένο στο παπούτσι ή σε ένα μικρό εξωτερικό δομοστοιχείο. Η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να φορτίσει ένα smartphone, ασύρματα ακουστικά, ή άλλα φορητά ηλεκτρονικά μέσω μιας θύρας φόρτισης USB ⁇ C ή ασύρματης ενσωματωμένης στο παπούτσι.

Βασικές τεχνολογίες συλλογής ενέργειας

  • Τα piezoηλεκτρικά υλικά παράγουν ηλεκτρικό φορτίο όταν παραμορφώνονται. Στα έξυπνα υποδήματα, τα εύκαμπτα πιεζοηλεκτρικά φιλμ ή ίνες είναι ενσωματωμένα στη σόλα. Κάθε πτώση συμπιέζουν το υλικό, παράγοντας αιχμές τάσης που προσθέτουν πάνω από χιλιάδες βήματα. Τα κοινά υλικά περιλαμβάνουν το ζιρκονικό τιτανικό μόλυβδο (PZT) και το πολυβινυλιδένιο φθορίδιο (PVDF).
  • Ηλεκτρομαγνητικές γεννήτριες χρησιμοποιούν έναν συρόμενο μαγνήτη μέσα σε ένα πηνίο. Με κάθε βήμα, ο μαγνήτης κινείται σε σχέση με το πηνίο, προκαλώντας ρεύμα. Αυτές οι γεννήτριες μπορούν να παράγουν υψηλότερα επίπεδα ισχύος (10 ⁇ 100 mW) αλλά προσθέτουν βάρος και όγκο. Μερικά σχέδια χρησιμοποιούν ένα εκκρεμές ή ένα κομμάτι για να συλλάβει τόσο τη φτέρνα όσο και την κίνηση των ποδιών.
  • Τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες (TENGs)[[LFT:1] βασίζονται στην ηλεκτροκίνηση επαφής και την ηλεκτροστατική επαγωγή. Ως δύο υλικά αγγίζουν και χωρίζουν ⁇ για παράδειγμα, ένα φιλμ με βάση σιλικόνη και ένα αγώγιμο ύφασμα ⁇ η επιβάρυνση συσσωρεύεται και ρέει μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος. Τα TENG μπορούν να γίνουν μαλακά, λεπτά και ευέλικτα, που ταιριάζουν με το περίγραμμα του ποδιού.

Υβριδικές προσεγγίσεις

Πολλά πρόσφατα πρωτότυπα συνδυάζουν δύο ή περισσότερες μεθόδους συγκομιδής για να καλύψουν ένα ευρύτερο φάσμα ταχυτήτων κίνησης και πιέσεων ποδιών. Για παράδειγμα, ένα παπούτσι μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα πιεζοηλεκτρικό ένθετο για την πρόσκρουση της πτέρνας (που παρέχει υψηλή δύναμη) και ένα TENG στη μεσαία σόλα για την κίνηση κύλισης. Η συνδυασμένη έξοδος μπορεί να υπερβαίνει τα 30 mW, επαρκή για να συντηρήσει ένα μικρό αισθητήρα IoT χωρίς μια κύρια μπαταρία.

Εφαρμογές και πραγματικά ⁇ Παγκόσμια Παραδείγματα

Ένα εξέχον παράδειγμα είναι [[LFT:0]]SolePower[[LPT:1]], μια εκκίνηση που ανέπτυξε μπότες εργασίας και σόλες με ενσωματωμένες ηλεκτρομαγνητικές γεννήτριες. Το πρωτότυπό τους μπορεί να φορτίσει μια μπαταρία smartphone στο 50 τοις εκατό μετά από περίπου οκτώ ώρες περπάτημα. Ένα άλλο είναι [[LPT:2]PowerWalk[[LFT:3]] από τη Bionic Power, αρχικά σχεδιασμένη για στρατιωτικό προσωπικό, η οποία χρησιμοποιεί ένα γονατιστό-μπρακιζέ θεριστικό μηχάνημα αλλά έχει εμπνεύσει παραλλαγές που βασίζονται σε παπούτσια. Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα και το Πανεπιστήμιο του Γουισκόνσιν έχουν επιδείξει σόλες παπουτσιών που παράγουν αρκετή δύναμη για να τρέξει ένα GPS tracker ή ένα βήμα-υπολογίζοντας συνεχώς.

Πέρα από τα ρούχα που φορούν οι καταναλωτές, τα κινητικά έξυπνα υποδήματα έχουν πρακτικές χρήσεις σε απομακρυσμένες περιοχές ή για εργαζόμενους σε αγρούς που δεν έχουν αξιόπιστη πρόσβαση στην εξουσία. Ένα σύνολο από μπότες αυτοφόρτισης θα μπορούσε να κρατήσει ένα walkie ⁇ talkie, φακό, ή ιατρικό αισθητήρα που λειτουργεί κατά τη διάρκεια μακρών μετατοπίσεων.

Οφέλη από την Κινητική Ενέργεια Συγκομιδή σε Υποδήματα

  • Αειφόρος, εκτός γκρίζας ισχύος[ ⁇ Μειώνει την εξάρτηση από μπαταρίες μιας χρήσης και την ανάγκη αναζήτησης σημείων πώλησης. Για τους επιβάτες ή πεζοπόρους καθημερινής χρήσης, η ευκολία ενός παπουτσιού που φορτίζει τις συσκευές κατά τη διάρκεια των απλών βημάτων είναι σημαντική.
  • Περιβαλλοντική επίπτωση ⁇ Λιγότερες μπαταρίες μιας χρήσης σημαίνει λιγότερα τοξικά απόβλητα. Αν υιοθετηθούν ευρέως, τα κινητικά υποδήματα θα μπορούσαν να μειώσουν εκατομμύρια αποθέσεις αλκαλικών μπαταριών ετησίως. Επιπλέον, η συγκομιζόμενη ενέργεια δεν προσθέτει εκπομπές άνθρακα κατά τη διάρκεια της παραγωγής.
  • Κινήματα υγείας και δραστηριότητας ⁇ Οι χρήστες που γνωρίζουν τα βήματά τους παράγουν χρήσιμη ενέργεια μπορεί να έχουν κίνητρο να περπατήσουν περισσότερο.
  • Εγκατάσταση με άλλα φορητά[[LFT:1]] ⁇ Τα υποδήματα συλλογής ενέργειας μπορούν να χρησιμεύσουν ως συνεχής πηγή ενέργειας για ένα δίκτυο αμαξώματος ⁇ περιοχής: smartwatch, health patch, AR γυαλιά, ή ένα ιατρικό εμφύτευμα.

Προκλήσεις και Περιορισμοί

Παρά τις σαφείς υποσχέσεις, η κινητική συλλογή ενέργειας στα υποδήματα αντιμετωπίζει αρκετά εμπόδια.

  • Ενεργειακή πυκνότητα ⁇ Η ανθρώπινη κίνηση παρέχει 1 ⁇ 10 W μηχανικής ισχύος, αλλά οι θεριστές συλλαμβάνουν μόνο ένα κλάσμα. Για να φορτίσει ένα smartphone (10 Wh μπαταρία) σε μια ημέρα, ένα παπούτσι θα πρέπει να παραδώσει ~400 mW μέσο όρο ⁇ πολύ πάνω από τις τρέχουσες πρακτικές εξόδους (10 ⁇ 50 mW για τα περισσότερα πρωτότυπα).
  • ⁇ Διαρκής και άνεση ⁇ Τα παπούτσια υφίστανται επαναλαμβανόμενη κάμψη, υγρασία, διακυμάνσεις θερμοκρασίας και βρωμιά. Οι θεριστές πρέπει να επιβιώσουν 500.000 έως 1 εκατομμύριο βήματα χωρίς αποτυχία, ενώ παραμένουν ελαφριά και χωρίς εμβλήματα.
  • Κοστ ⁇ Η ενσωμάτωση των συγκομιδών με ηλεκτρονικά συστήματα διαχείρισης ενέργειας αυξάνει το κόστος παραγωγής. Τα τρέχοντα πειραματικά υποδήματα κοστίζουν εκατοντάδες δολάρια ανά ζεύγος. \" μαζική παραγωγή και τα απλούστερα σχέδια θα μπορούσαν να μειώσουν τις τιμές σε επίπεδα mainstream, αλλά φθάνοντας σε αυτό το σημείο απαιτεί επενδύσεις σε κλίμακα κατασκευής.
  • Αποδέχομαι χρήστη[[LFT:1]] ⁇ Επιπλέον εξαρτήματα μπορούν να κάνουν παπούτσια ελαφρώς βαρύτερα ή πιο σκληρά, επηρεάζουν την άνεση. Πολλοί χρήστες που φοριούνται δεν είναι πρόθυμοι να ανταλλάξουν φυσική αίσθηση βάδισης για την ικανότητα φόρτισης.

Μελλοντικές οδηγίες

Η έρευνα και η ανάπτυξη συνεχίζονται σε πολλαπλά μέτωπα για να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια.

  • Προηγμένα υλικά ⁇ Νέα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή (π.χ. πολυουρία, PVDF ⁇ TrFE) προσφέρουν ευελιξία και βελτιωμένη διάρκεια ζωής κόπωσης. Τριβοηλεκτρικά υλικά με υψηλή πυκνότητα φόρτισης και ιδιότητες αυτοθεραπείας δοκιμάζονται. Το γραφένιο και άλλα 2D υλικά μπορεί να επιτρέπουν σχεδόν διαφανείς, υπεραποτελεσματικές συγκομιστικές μηχανές.
  • Κύκλωμα διαχείρισης ενέργειας ⁇ Προσαρμογείς ανορθωτές και αλγόριθμοι μέγιστης ισχύος ⁇ σημείο ⁇ εντοπισμός μπορούν να εξάγουν περισσότερη ενέργεια από μεταβλητές προσκρούσεις ποδιών. Αναδυόμενα «ενεργειακά κυκλώματα συγκομιδής» (EH ⁇ ICs) μετατρέπουν σήματα εξαιρετικά χαμηλής τάσης σε σταθερή έξοδο άνω των 3 V, καθιστώντας τα πρακτικά για τη φόρτιση ιόντων λιθίου.
  • Τεχνητή νοημοσύνη για την πρόβλεψη ισχύος[ ⁇ Μοντέλα μηχανικής μάθησης που αναλύουν τα πρότυπα βάδισης μπορούν να προβλέψουν όταν έρχονται υψηλά ⁇ ενεργειακά βήματα (π.χ. τρέξιμο εναντίον αργού βάδισης) και να ρυθμίσουν τη δρομολόγηση αποθήκευσης ισχύος για να μεγιστοποιήσουν την αποδοτικότητα. Αυτή η «συνεχής ⁇ αισθητική» συγκομιδή εξακολουθεί να βρίσκεται σε πρώιμη έρευνα αλλά δείχνει την υπόσχεση για την ενίσχυση της καθαρής απόδοσης κατά 20 ⁇ 30 %.
  • Εγκατάσταση με έξυπνα υφάσματα και αποθήκευση ενέργειας[ ⁇ Η επόμενη γενιά έξυπνων υποδημάτων μπορεί να υφάνει τα συγκομιδές απευθείας στο επάνω μέρος του υφάσματος, χρησιμοποιώντας αγώγιμα νήματα και εύκαμπτους υπερκαπάκιτορ που διπλώνουν ως δομικά στρώματα. Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε να εξαλείψει ογκώδεις ενότητες και να κάνει ολόκληρο το παπούτσι μέρος του ενεργειακού συστήματος.
  • Πρωτόκολλα σταθερής φόρτισης ⁇ Οι Βιομηχανικές κοινοπραξίες διερευνούν ένα “φορητό λεωφορείο” που επιτρέπει κάθε κινητική-συγκομιδή παπούτσι σε ασύρματα φορτίζουν συσκευές μέσω μιας κοινής διεπαφής (Qi ή ένα νέο πρότυπο χαμηλής ισχύος).

Εξωτερικές έρευνες από τις Φύση Επιστημονικές Εκθέσεις και Επιστήμη Προόδους[] τεκμηριώνουν πρόσφατες ανακαλύψεις σε ευέλικτες TENG και υβριδικές γεννήτριες, ενώ οι βιομηχανίες όπως η Η έκθεση IDTechEx για την τεχνολογία που φοριέται [ παρακολουθεί την εμπορική προώθηση χρονοδιαγραμμάτων. Εταιρείες όπως [SolePower και Bionic Power] παρέχουν μελέτες περιπτώσεων για μπότες και σόλες που έχουν μετακινηθεί από πρωτότυπο σε δοκιμές πεδίου.

Συμπέρασμα

Η κινητική ενέργεια που συλλέγεται σε έξυπνα υποδήματα έχει ωριμάσει από μια εργαστηριακή περιέργεια σε μια βιώσιμη τεχνολογία για συνεχή φόρτιση συσκευών. Με τη σύλληψη της μηχανικής ενέργειας κάθε βήματος και τη μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια, αυτά τα υποδήματα μπορούν να τροφοδοτήσουν χαμηλής ενέργειας φορώντας, να μειώσουν τα απόβλητα μπαταρίας, και να ενθαρρύνουν πιο ενεργό τρόπο ζωής. Ενώ οι τρέχουσες ενεργειακές αποδόσεις είναι μέτριες και προκλήσεις της αντοχής, του κόστους και της άνεσης παραμένουν, ταχεία πρόοδοι στην επιστήμη υλικών, το σχεδιασμό κυκλωμάτων και η κατασκευή κλείνουν το χάσμα. Μέσα στα επόμενα πέντε με δέκα χρόνια, μπορούμε να αναμένουμε αυτο-φόρτιση παπούτσια να γίνει μια προσιτή, πρακτική επιλογή για τους καταναλωτές και τους επαγγελματίες, κινώντας ένα βήμα πιο κοντά σε έναν κόσμο όπου οι συσκευές μας τροφοδοτούνται από την απλή πράξη του βάδισης.