運動エネルギーの収穫は何ですか?

運動によって生成される機械的エネルギーを捕獲し、それを使用可能な電力に変換します。 コンセプトは、基本的な物理に基づいて構築します。 どんな動きのオブジェクトは、電磁誘導、圧電気効果、または静電気誘導を介して変換することができる運動エネルギーを運びます。 ウェアラブル技術では、この原則は、デバイスが人間の運動からエネルギーを流出させることを可能にします。 歩行、ランニング、または外用コンセントや使い捨て電池に依存することなく、妊娠。

運動収穫機の効率は、メカニズムと活動によって変わります。例えば、ブリスクウォークは収穫機の設計と足のストライキ力に応じて、連続電力の1〜10ミリワットを生成する可能性があります。電話を直接充電するのに十分ながない場合、エネルギーは数時間以上小さなバッテリーまたはスーパーキャパシタを充電することができます。研究者は、体重の低いエネルギーBluetoothセンサーまたは着用可能なフィットネストラックを電力にするのに十分な250ミリワットまでの靴装着された発電機の収穫を実証しました。

スマートフットウェアでキネティックな収穫作業

スマートシューズは、ソール、ヒール、またはインソールに1つ以上のエネルギー変換技術を埋め込んだ。 ウェアラの足が各ステップで収穫機を圧縮すると、機械的ストレスや変位が電流を発生します。 その電流は、再定性、調整、および充電式バッテリーまたはスーパーキャパシタに統合された靴や小さな外部モジュールに格納されます。 保存されたエネルギーは、スマートフォン、ワイヤレスイヤホン、またはUSB-Cまたはワイヤレスシューズを介して他のポータブル電子機器を充電するために使用できます。

コアエネルギーの収穫技術

  • ]圧電材料]は変形するときに電気チャージを発生させます。 スマートフットウェアでは、フレキシブルな圧電膜または繊維がソールに埋め込まれています。 各足場は材料を圧縮し、数千ステップ以上を加える電圧スピークを作り出します。 一般的な材料には、鉛ジルコネートチタネート(PZT)とポリビニルインフッ化物(PVDF)が含まれます。 強度:コンパクトで、移動部品はありません。 振動は、セラミックスは、および振動は、回路を滑らかにする必要があります。
  • [ 電磁発電機]]はコイル内のスライドマグネットを使用します。各ステップでは、磁石はコイルに相対移動し、電流を誘導します。これらの発電機は、高出力レベル(10〜100 mW)を生成し、重量とバルクを追加することができます。一部の設計では、ペドラムまたはトラックを使用して、かかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかかか。強度:強く:強く:強く:堅くの技術:弱い:弱い:弱い:弱い技術。
  • [ 誘電性ナノジェネレータ(TENG)[は、接触の電動化と静電気誘導誘導に依存しています。例えば、2つの材料が接触して分離するにつれて、シリコン - ベースのフィルムと導電性ファブリック - 外部回路を介して構築とフローを充電します。 TENGは、フットベッドの輪郭に照合して、柔らかく、薄く、柔軟にすることができます。 強度:高電圧出力、多様な選択肢。 耐摩耗性は、低圧縮性が向上します。 耐久性は、低圧縮性が向上します。

ハイブリッドアプローチ

最近のプロトタイプは、より広い範囲のモーション速度と足の圧力をカバーするために、2つ以上の収穫方法を組み合わせたものです。例えば、靴はヒールストライキ(高出力を提供する)と転がりの動きのためのミソールのTENGのために圧電インサートを使用するかもしれません。組み合わせられた出力は30 mWを超えることができ、主要なバッテリーなしで小さなIoTセンサーを維持するのに十分です。

アプリケーションと現実世界の例

運動エネルギーの収穫の履物は、学術研究室から商用パイロットプログラムに移りました。 1つの顕著な例は]です。 、 ワークブーツを開発したスタートアップ、および統合された電磁発電機とインソール。 彼らのプロトタイプは、約8時間後にスマートフォンバッテリーを50%に充電することができます。 もう1つは]]です。 もともとバイオニックパワー、軍人のために設計された、これは、膝のパワーを駆動するが、Ustostasを生成するのに十分な負荷をかける。 と、 Uconstosssssssssssの実体を生成する。

消費者のウェアラブルを超えて、キネティックなスマートシューズは、遠隔地や、電力への信頼できるアクセスを欠くフィールドワーカーのために実用的な使用を持っています。 セルフチャージングブーツのセットは、長距離シフト中に実行されるウォーキー・トーキー、懐中電灯、または医療センサーを維持することができます。 一部の企業は、スポーツ分析のアプリケーションを探求しています。 収穫機を圧力センサーと一緒に埋め込むことで、靴は両方の電力自体を維持し、コーチにリアルタイムのデータを配信することができます。

フットウェアで収穫するキネティックエネルギーの利点

  • [] 持続可能で、オフグリッド電源[ - 単一ユースバッテリーの信頼性を減らし、出口を検索する必要があります。 毎日の通勤またはハイカーの場合、通常の手順中にデバイスを充電する靴の利便性が重要です。
  • 環境影響 - 飼料使い捨てバッテリーは、より少ない毒性廃棄物を意味します。 広く採用されている場合、キネティックフットウェアは、年間に何百万のアルカリ電池の処分を削減することができます。 さらに、収穫されたエネルギーは、生成中の炭素排出量は含まれません。
  • [健康と活動のインセンティブ] – 自分のステップを知ったユーザーは、より歩くことに意欲的になるかもしれません。 一部の研究プロトタイプは、スマートフォンアプリで「収穫エネルギー」を表示し、身体活動を活性化することもあります。
  • 他のウェアラブルとの統合[ - エネルギー ハーベストメント シューズは、スマートウォッチ、健康パッチ、ARメガネ、または医療インプラントの継続的な電源として機能することができます。 これは、複数の充電ケーブルの必要性を排除し、デバイスダウンタイムを削減します。

課題と限界

明確な約束にもかかわらず、足着で収穫する運動エネルギーはいくつかのハードルに直面しています。

  • エネルギー密度 – ヒューマンモーションは、機械的電力の1〜10 Wを提供しますが、収穫機はほんの僅かしかキャプチャしません。 1日にスマートフォン(10 Whバッテリー)を充電するには、現在の実用的出力(最も多くプロトタイプの場合は10〜50 mW)を超える平均〜400 mWの靴を届ける必要があります。 今では、収穫されたエネルギーは、低電力デバイスやトリクル充電に最適です。
  • 耐久性と快適 - 靴は、繰り返し屈曲、湿気、温度のスイング、汚れを受けます。 収穫機は、軽量で控えめなまま、50万〜1万のステップを生き残る必要があります。 初期圧電気セラミックスはしばしば割れています。 新しい柔軟なポリマーと保護カプセル封入ヘルプが複雑さを追加します。
  • Cost] - パワーマネジメントエレクトロニクスで収穫機を統合することで、生産コストが上昇します。 現在の実験靴は、ペアあたり数百ドルの費用がかかります。 量産とよりシンプルな設計は、価格を主流レベルに引き下げることができますが、その点に到達すると、製造規模の投資が必要です。
  • []ユーザー受け入れ] - 余分なコンポーネントは、快適さに影響を与える、わずかに重い靴や硬さを作ることができます。 多くのウェアラブルユーザーは、充電能力のために自然な歩行感を取引する意思はありません。 事実上見えない体重 - 中立は継続的な目標である収穫機を設計します。

今後の方向性

研究開発は、これらの障壁を克服するために複数のフロントに継続します。

  • 先進材料] - 新圧電気ポリマー(例えば、ポリウレタン、PVDF-TrFE)は、柔軟性を提供し、疲労寿命を向上させます。 高充電密度および自己治癒特性を有するトリボ電気材料がテストされています。 グラフェンおよび他の2D材料は、ほぼ透明、超効率的な収穫を可能にする場合があります。
  • []エネルギー管理回路 - 適応整流器と最大-ポイント-追跡アルゴリズムは、可変的な足のストライキからより多くのエネルギーを抽出することができます。 「エネルギー収穫集積回路」(EH-IC)を生成し、超低電圧信号を3 Vを超える安定した出力に変換し、リチウムイオン充電に実用的です。
  • []力の予測のための人工知能[ - 歩行の実行、および効率を最大化するために電力貯蔵ルーティングを調整する、高エネルギーステップが来るとき、歩行パターンを分析する機械学習モデル。 この「コンテキスト - ウェア」収穫は、初期研究ではまだあるが、20〜30 %の純収量を増加させる約束を示す。
  • スマートファブリックとエネルギーストレージとの統合 - スマートフットウェアの次世代は、導電性糸と構造層として2倍のフレキシブルなスーパーキャパシタを使用して、収穫機を直接織ることができる。 このようなアプローチは、多量モジュールを排除し、エネルギーシステム全体の靴部分を作ることができます。
  • [標準化された充電プロトコル] - 業界コンソーシアムは、任意のキネティック・ハーヴェスティングシューズが共通のインタフェース(Qiまたは新しい低電力標準)を介してデバイスをワイヤレスで充電することを可能にする「ウェアラブルな電力バス」を探索しています。 これは、相互運用性を拡大し、採用を加速するでしょう。

[]Nature Scientific Reportsと[] Science Advances]のドキュメントは、柔軟なTENGとハイブリッド発電機の最近のブレークスルー、産業グループが[ウェアラブル技術に関するIDTechExレポート]トラックの商用化タイムライン。 Sole[FLT][FLT][FLT]][FLT:[FLT:]]]と[FLT]]のフィールドと[F]のフィールドと[F]の[F]のプロトタイプ]の[FLT]の[FLT]のフィールドと[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]と[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT]の[FLT:[F]の[F]のフィールドと[FLT:[FLT:[F]の[FLT:[F]の[F]の[F

コンテンツ

スマートフットウェアで収穫するキネティックなエネルギーは、実験室の好奇心から、継続的なデバイス充電のための実用的な技術に成熟しました。各ステップの機械的エネルギーをキャプチャし、それを電気に変換することにより、これらの靴は、低エネルギーのウェアラブルに電力を供給し、バッテリーの無駄を削減し、よりアクティブなライフスタイルを奨励することができます。現在のエネルギー出力は、耐久性、コスト、快適性が維持され、材料科学、回路設計、製造の急速な進歩がギャップを閉じることができます。次の5年以内に、私たちは、実用的な靴を歩むことができる、そして、私たちは、世界中の専門家が、実用的な機器を歩くことができる。