연속 장치 충전을위한 스마트 신발에서 Kinetic Energy Harvesting

Kinetic 에너지 수확은 무엇입니까?

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Smart Footwear에서 Kinetic Harvesting 작품

스마트 신발은 단독, 헬, 또는 인솔에서 하나 이상의 에너지 변환 기술을 포함. 착용자의 발이 각 단계, 기계 응력 또는 변위로 수확기를 압축하면 전기 전류를 생성합니다. 그 현재는 조정되고, 조절되고, 충전식 배터리 또는 슈퍼 커패시터에 저장하거나 신발 또는 작은 외부 모듈에 통합됩니다. 저장 에너지는 스마트 폰, 무선 이어폰 또는 USB-C 또는 무선 포트로 무선 충전에 사용할 수 있습니다.

핵심 에너지 Harvesting 기술

Piezoelectric materials는 변형될 때 전기료를 생성합니다. 스마트 신발에서 유연한 압전 필름이나 섬유는 단독으로 내장되어 있습니다. 모든 발자국은 재료 압축을 줄이고 수천 개의 단계에 추가되는 전압 스파이크를 생성합니다. 일반적인 재료에는 납 지르코네이트 티탄산염 (PZT) 및 폴리비닐 fluoride (PVDF)이 포함됩니다. 강도 : 컴팩트하고 이동식 부품 : 세라믹 부품이 필요합니다. 우리는 세라믹 부품이 매우 부드럽고 유연한 회로가 필요합니다.
전자기 발전기 코일 내부 슬라이딩 자석을 사용합니다. 각 단계로 자석은 코일과 상대를 움직이며 전류를 유도합니다. 이 발전기는 더 높은 전력 레벨 (10-100 mW)을 생산할 수 있지만 무게와 부피를 추가 할 수 있습니다. 일부 디자인은 펜 던 트 또는 롤을 사용하여 두 개의 헬 및 발가락 모션을 캡처합니다. 강도 : 견고하고 잘 서있는 기술. Weaknesses : 이동 부품은 마모 또는 불편을 일으킬 수 있습니다.
Triboelectric nanogenerators (TENGs) 접촉 electrification 및 정전기 유도에 의존합니다. 예를 들어 두 개의 재료 접촉 및 분리 된 - 예를 들어, 실리콘 기반 필름 및 전도성 직물 - 충전은 외부 회로를 통해 업 및 흐름을 구축합니다. TENGs는 부드럽고 얇은, 유연한, footbed의 윤곽과 일치 할 수 있습니다. 강도 : 고전압 출력, 다양한 재료 선택. 우리는 현재 압축 응력을 개선하고 있습니다.

하이브리드 Approaches

최근 프로토 타입은 모션 속도와 발압의 넓은 범위를 커버하는 두 가지 또는 더 많은 수확 방법을 결합합니다. 예를 들어, 신발은 굴뚝 파업 (고력 제공) 및 회전 모션을위한 중간 구멍의 TENG을 사용할 수 있습니다. 결합 출력은 30mW를 초과 할 수 있으며, 한 차 배터리없이 작은 IoT 센서를 유지할 수 있습니다.

응용 프로그램 및 Real-World 예제

의약한 에너지 수확 신발은 상업적인 조종사 프로그램에 학문적인 실험실에서 이동했습니다. 1개의 눈에 띄는 예는 SolePower], 통합 전자기 발전기를 가진 일 부츠 그리고 insoles 개발된 시작입니다. 그들의 시제품은 대략 8 시간의 걷는 후에 50 %에 스마트폰 건전지를 위탁할 수 있습니다. 또 다른 것은 PowerWalk]입니다 생물 힘에 의해, 원래 디자인한 군 인원에 의해, 그러나 의약한 힘으로 돌리는 것은 비스듬한 GPS를 창조하는 것을 계속합니다.

소비자 착용을 넘어, 운동화 똑똑한 신발은 먼 지역에 있는 실제적인 용도 또는 힘에 믿을 수 있는 접근이 부족한 분야 노동자를 가지고 있습니다. 각자 위탁 부츠의 세트는 긴 교대 도중 달리는 워키토키, 플래쉬 등, 또는 의학 감지기를 지킬 수 있었습니다. 몇몇 회사는 또한 스포츠 분석에 있는 신청을 탐구합니다: 압력 감지기를 따라서 수확기, 신발은 힘 둘 다 할 수 있고 코치에 순간 가이트 자료를 전달합니다.

Footwear에서 Kinetic Energy Harvesting의 이점

Sustainable, off‐grid power – 단 하나 사용 배터리에 대한 신뢰성을 감소시키고 콘센트에 대한 검색이 필요합니다. 일상 통근 또는 하이킹을 위해, 일반 단계 중 장치가 중요 한 신발의 편의.
환경 영향 – Fewer 일회용 배터리는 독성 폐기물을 덜 의미한다. 널리 채택되면, 운동 신발은 연간 알칼리성 배터리 처리의 수백만을 줄일 수 있습니다. 또한, 수확 된 에너지는 세대 동안 탄소 배출량을 추가하지 않습니다.
건강과 활동 인센티브] – 자기 단계가 사용 가능한 힘을 알고 있는 사용자는 더 많은 것을 걸려질 수 있습니다. 스마트폰 앱에서 “에너지 수확”도 표시하는 몇몇 연구 프로토 타입도, 신체 활동 평가.
다른 착용감 – 에너지 수확 신발은 신체적 영역 네트워크에 대한 지속적인 전원으로 봉사 할 수 있습니다: smartwatch, 건강 패치, AR 안경, 또는 의료 임플란트. 이 여러 충전 케이블에 대한 필요성을 제거하고 장치 가동 시간을 감소.

도전과제

명확한 약속에도 불구하고, 신발에서 수확하는 운동 에너지는 몇몇 장애물을 직면합니다.

에너지 밀도 – 인간적인 동작은 1–10W의 기계적 파워를 제공하지만 수확기는 단절만 캡처합니다. 하루 스마트 폰 (10Wh 배터리) 충전하려면 신발은 현재 실제 출력 (10–50mW의 평균 스펙트럼을 전달해야 합니다). 이제 수확된 에너지는 저전력 장치나 까다로운 충전에 가장 적합합니다.
내구성과 편안함 – 신발은 반복된 플렉스링, 습기, 온도 스윙 및 먼지를 겪고 있습니다. 수확기는 실패 없이 500,000에서 1백만 단계로 살아야 하며, 나머지 경량과 비폭력. 초기 압전 세라믹은 종종 부수; 더 새로운 유연한 폴리머 및 보호 캡슐화 도움 그러나 복잡성을 추가해야합니다.
Cost – 전력 관리 전자를 가진 통합 수확기는 생산 비용을 올립니다. 현재 실험 신발은 쌍 당 수백 달러를 요합니다. 대량 생산 및 더 간단한 디자인은 주류 수준에 가격을 가져올 수 있지만, 그 시점에 투자를 필요로하는 것입니다.
사용자 합격 – 추가 구성품은 약간 무거운 또는 뻣뻣한 신발을 만들 수 있습니다, 편안함을 영향을. 많은 착용 가능한 사용자는 충전 기능에 대한 자연 산책 느낌을 거래하지 않습니다. 실제로 보이지 않는 중량 중립적 인 수확기는 지속적인 목표입니다.

미래 지향

연구 및 개발은 이 장벽을 극복하기 위해 여러 정면에 계속.

고급 재료 – 새로운 압전 폴리머(예: 폴리레라, PVDF‐TrFE)는 유연성과 향상된 피로 수명을 제공합니다. 높은 충전 밀도와 자기 치유 특성을 가진 삼관 재료는 테스트되고 있습니다. 그래 핀 및 기타 2D 재료는 가까운 투명, 초효율 수확기를 가능하게 할 수 있습니다.
Energy 관리 회로 – Adaptive 정류기 및 최대 ‐power‐point‐tracking 알고리즘은 가변 발 파동에서 더 많은 에너지를 추출할 수 있습니다. “energy 수확 통합 회로”(EH‐ICs)는 3V 이상의 안정적인 출력으로 초저 전압 신호를 변환하여 리튬 이온 충전에 대한 실용적인 기능을 제공합니다.
] 전력 예측에 대한 인공 지능] – 기체 패턴을 분석하는 기계 학습 모델은 높 에너지 단계가 오는 때 예측할 수 있습니다 (예를 들어, 대 느린 산책을 실행) 및 효율성을 극대화하기 위해 전력 저장 라우팅을 조정합니다. 이 "context‐aware" 수확은 초기 연구에서 여전히 있지만 20-30 %의 순량 증가를 위해 약속을 보여줍니다.
스마트 직물과 에너지 저장과 통합] – 스마트 신발의 차세대는 구조층으로 두 배 전도성 원사 및 유연한 수퍼커를 사용하여 섬유 상에 직접 수확기를 직물 할 수 있습니다. 이러한 접근은 크게 모듈을 제거하고 에너지 시스템의 전체 신발 부분을 만들 수 있습니다.
표준 충전 프로토콜 – 산업 컨소시엄은 일반적인 인터페이스(Qi 또는 새로운 저전력 표준)을 통해 무선 충전 장치에 어떤 키티드 하프링 슈를 무선으로 충전 할 수있는 "전력 버스"를 탐험하고 있습니다. 이것은 상호 운용성 및 가속 채택을 확장 할 것입니다.

Nature Scientific Reports과 Science Advances] 최근 유연한 TENG 및 Hybrid Generators에 대한 획기적인 문서가 있으며, ]IDTechEx 보고서를 착용할 수 있는 기술]에 대한 업계 그룹을 통해 업계의 최근 Breakthroughs를 추적할 수 있습니다. Sole]]]]]]]]