Решения для сбора энергии для самоподдерживающихся носимых устройств

Носимые устройства — от фитнес-трекеров и умных часов до непрерывных мониторов здоровья и медицинских патчей — стали незаменимыми инструментами для личной гигиены, клинической диагностики и даже безопасности на рабочем месте. Тем не менее их широкое внедрение было подавлено постоянной проблемой: тирания батареи. Традиционные литий-ионные или монетные батареи накладывают жесткие ограничения на время работы устройства, требуют частой подзарядки и способствуют растущей проблеме электронных отходов. Уборка энергии предлагает убедительную альтернативу: путем удаления окружающей или биомеханической энергии из среды пользователя и преобразования ее в полезную электрическую энергию, эти устройства могут работать устойчиво, часто без необходимости в выделенной батарее или с гораздо меньшей, которая заряжается от ручейка. Эта статья исследует ключевые технологии сбора энергии, питающие следующее поколение самоподзаряжающихся носимых устройств, рассматривает их преимущества и текущие ограничения и смотрит вперед на новые инновации, которые обещают сделать непрерывную работу без батареи практической реальностью.

Что такое энергосбережение?

Уборка энергии (также называемая поглощением энергии) - это процесс захвата небольших, диффузных количеств энергии из внешних источников - таких как движение человека, тепло тела, окружающий свет и рассеянное электромагнитное излучение - и преобразования этой энергии в электрический ток. Полученная мощность обычно находится в диапазоне от микроватта до низкого милливатта, который достаточен для работы датчиков малой мощности, микроконтроллеров и беспроводных приемопередатчиков, обычно встречающихся в современных носимых устройствах. Собранная энергия может использоваться непосредственно для питания цепи или может храниться в небольшом конденсаторе или перезаряжаемой батарее для последующего использования. Поскольку выходная мощность является как небольшой, так и переменной, энергосберегающие системы требуют сложной электроники управления мощностью (например, преобразователи энергии и трекеры максимальной мощности) для кондиционирования энергии и обеспечения стабильного питания. Для носимых устройств цель состоит в том, чтобы компенсировать или устранить необходимость в первичных батареях, что позволяет «самоподпитывающуюся» операцию, которая согласуется с повседневной деятельностью пользователя.

Виды технологий сбора энергии

Десятки механизмов трансдукции были изучены для сбора носимой энергии, но наиболее зрелые и широко применимые технологии делятся на четыре основные категории: пьезоэлектрические, термоэлектрические, фотоэлектрические и трибоэлектрические. Пятая категория — радиочастотный (RF) сбор — также набирает силу, особенно в плотных средах IoT. Ниже мы подробно рассмотрим каждый подход.

Пьезоэлектрическая энергия сбор урожая

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический потенциал, когда они механически деформированы. Размещение таких материалов в носимом устройстве - например, в стельке для обуви, браслете или швейном пластыре - позволяет комбайну преобразовывать движения тела (ходьба, бег, качели рук, даже дыхание) в электрическую энергию. Общие пьезоэлектрические материалы включают в себя титанат цирконат свинца (PZT), поливинилидный фторид (PVDF) и нанопровода из оксида цинка. PZT предлагает высокую плотность энергии, но хрупкий; PVDF гибкий и хорошо подходит для текстиля, хотя его выход ниже. Исследователи продемонстрировали интегрированные пьезоэлектрические комбайны в подошвах обуви, которые генерируют несколько милливатт во время обычной ходьбы, достаточно для питания счетчика шагов или маяка Bluetooth Low Energy. Основная проблема заключается в том, что выход является прерывистым - устройство производит мощность только тогда, когда владелец движется - так что устойчивое хранение энергии и управление мощностью необходимы. Текущая работа фокусируется на гибких,

Термоэлектрическая энергия сбор урожая

Термоэлектрические генераторы (TEG) используют эффект Seebeck: когда соединяются два разных металла или полупроводника и их соединения удерживаются при разных температурах, генерируется напряжение. Человеческое тело естественным образом поддерживает температуру ядра ~ 37 ° C, в то время как температура окружающего воздуха обычно ниже (15-25 ° C в помещении). Эта разница в 10-20 ° C может быть использована ТЕГ, изношенной на теле, для получения устойчивой струйной энергии. Современные термоэлектрические модули используют теллурид висмута (Bi2Te3) или скутерудитовые полупроводниковые ножки, зажатые между керамическими подложками. Для носимых устройств разрабатываются гибкие ТЕГ на основе органических термоэлектрических материалов или печатных пленок на основе графита, чтобы соответствовать изогнутым поверхностям тела. Выходная мощность сильно зависит от температурного градиента; Разница в 10 ° C может выдавать примерно 20-50 мкВт / см2. Этого достаточно для поддержания датчика низкой мощности или струйного заряда

Фотоэлектрическая энергия сбор урожая

Фотоэлектрические (PV) элементы преобразуют окружающий свет в электричество. Носимая интеграция обычно использует небольшие, легкие и гибкие солнечные панели - часто из аморфного кремния, селенида индия галлия меди (CIGS) или перовскитных материалов - которые могут быть связаны с лицевой стороной часов, браслетом или даже вплетены в ткань в качестве солнечного текстиля. При стандартном освещении в помещении (200-500 люкс) небольшая фотоэлектрическая ячейка (~1 см2) может генерировать несколько десятков микроватт; при прямом солнечном свете выходная мощность повышается до низкого диапазона милливатт. Ключевое преимущество фотоэлектрической сборки заключается в том, что она может генерировать энергию, в то время как владелец неподвижен в освещенной среде, дополняя комбайны на основе движения. Ключевые проблемы включают частичное затенение (например, длинными рукавами), чувствительность к углу и тот факт, что многие носимые элементы носят на запястье, что может не всегда сталкиваться с источником света. Достижения в чувствительных к свету солнечных элементах (например

Трибоэлектрическая энергия сбор

Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) являются более новой, высокоактивной областью исследований. Они работают посредством контактной электрификации и электростатической индукции: когда два материала с различными электронными сродствами вступают в контакт, а затем разделяются, передается заряд, создавая напряжение. Обычные пары материалов включают политетрафторэтилен (PTFE) и нейлон или силиконовый каучук и алюминий. TENG могут быть изготовлены как тонкие, гибкие пленки, пластыри или даже включены в ткань. Их выход может быть удивительно высоким - сотни вольт, но с очень низким током (обычно нано- к микроамперам). Для того, чтобы быть полезным, выход должен быть исправлен и регулируется напряжением. TENGs особенно чувствительны к низкочастотным механическим движениям (например, сгибание конечностей или удары ног), что делает их идеальными для носимых устройств. Хорошо спроектированный TENG может генерировать несколько сотен микроватт на квадратный сантиметр во время ходьбы. Многие исследователи теперь объединяют TENG с гибкими подложками и методами печати

Радиочастотный (RF) сбор энергии

RF-уборка энергии захватывает окружающее электромагнитное излучение - от маршрутизаторов Wi-Fi, сотовых вышек и широковещательного радио - и выпрямляет его в мощность постоянного тока. В то время как плотность мощности в типичных городских условиях чрезвычайно низка (часто менее 1 мкВт / см2), специализированные выпрямительные антенны (ректенны) могут быть разработаны для сбора выделенных радиочастотных маяков для носимых приложений. Например, умные часы могут заряжаться беспроводным способом, в то время как владелец находится в комнате, оборудованной передатчиком мощности 2,4 ГГц. В общественных местах «RF-энергетические душевые» исследуются как способ питания нескольких низкоэнергетических IoT-устройств одновременно. Преимущества заключаются в том, что RF-уборка работает независимо от движения или света, и она может работать даже тогда, когда устройство скрыто (например, под одеждой). Однако эффективность резко падает с расстоянием, и правила безопасности ограничивают передаваемую мощность. Для носимых устройств RF-уборка чаще всего используется в качестве дополнительного источника в гибридных системах.

Преимущества сбора энергии для носимых устройств

Переход к самоподдерживающимся носимым устройствам предлагает широкий набор преимуществ, которые касаются дизайна устройства, воздействия на окружающую среду, пользовательского опыта и клинических возможностей:

Проблемы и ограничения

Несмотря на неоспоримые перспективы, сбор энергии для носимых устройств по-прежнему сталкивается со значительными техническими и практическими препятствиями:

Будущие направления и новые технологии

Ландшафт сбора энергии быстро развивается, что обусловлено прорывами в материаловедении, достижениями в области электроники с низким энергопотреблением и растущим спросом на повсеместное зондирование. Ключевые тенденции включают:

Гибридные и мультимодальные системы

Ни один комбайн не может покрыть все варианты использования. Наиболее надежные самоходные носимые устройства будут сочетать в себе две или более модальностей — например, браслет, который собирает солнечную энергию в течение дня, тепло тела в сидячий период и кинетическую энергию во время физических упражнений. Ранние коммерческие примеры (например, Matrix PowerWatch) уже сочетают термоэлектрическую и внутреннюю солнечную энергию; устройства следующего поколения будут интегрировать три или четыре источника с интеллектуальным управлением траекторией питания, которое выбирает источник с самой высокой мощностью в любой момент.

Гибкие и растяжимые материалы

Печать, изготовление рулонов и методы обработки растворов позволяют комбайнам, которые могут быть напечатаны непосредственно на ткани, пластике или даже коже. Например, растягиваемые трибоэлектрические эластомеры и органические термоэлектрики на основе углеродных нанотрубок или проводящих полимеров (например, PEDOT:PSS) приближаются к практическим уровням производительности. Такие материалы позволят комбайнам беспрепятственно интегрироваться в одежду, медицинские пластыри и даже временные татуировки.

Наногенераторы и самоходные датчики

Конвергенция сбора и восприятия энергии — иногда называемая датчиком с автономным питанием — является горячей темой исследования. TENG, который реагирует на давление или прикосновение, может одновременно генерировать сигнал (ощущение) и питать беспроводной передатчик. Это устраняет необходимость в любой внешней батарее или источнике питания, что позволяет действительно не поддерживать носимую диагностику. Аналогично, пьезоэлектрические нанопроводные массивы могут собирать ультранизкие частоты, такие как сердцебиение, обеспечивая выход напряжения, пропорциональный механическому входу.

Интеграция с энергоемким хранилищем

Твердотельные батареи с ареальной емкостью > 1 мАч/см2 и суперконденсаторы с быстрой зарядкой/разрядом достигают коммерциализации. Комбинирование их с комбайнами может дать носимое устройство, которое хранит достаточно энергии для полного дня использования в батарее, а затем непрерывно заряжает струйные заряды от движения тела. Такие компании, как Sila Nanotechnologies и Imprint Energy, разрабатывают гибкие батареи высокой емкости специально для носимых устройств.

Применение в клинических и промышленных носимых

Самоподъемные носимые устройства наиболее ценны в условиях, когда изменения батареи непрактичны: непрерывные пластыри для мониторинга глюкозы, ЭКГ-патчи для сердечных пациентов, мониторинг военнослужащих и промышленных работников в опасных средах. Источники энергии уже тестируются на местах в нескольких одобренных FDA медицинских носимых устройствах. По мере повышения надежности и уточнения регуляторных путей носимые устройства для автономного питания станут стандартом в дистанционном мониторинге пациентов.

ИИ и адаптивное управление питанием

Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать модели активности пользователя (например, ходьба или сидение) и соответствующим образом регулировать рабочий цикл устройства или режим сбора энергии. Этот адаптивный подход максимизирует собранную энергию и минимизирует потраченную впустую мощность. На устройствах появляются процессоры нейронной сети с потреблением энергии в субмикроватте, что делает интеллектуальное управление мощностью возможным при очень низких энергетических бюджетах.

Для дальнейшего чтения см. обзор Wang et al. по трибоэлектрическим наногенераторам в Nature; полный обзор носимых сборщиков энергии, опубликованный в Materials Today; и последние достижения в области гибких термоэлектриков из Energy & Environmental Science. Отраслевые отчеты от IDTechEx предоставляют прогнозы рынка и ориентиры коммерческих продуктов.

Заключение

Уборка энергии стоит на пороге преобразования носимой технологии из удобства, зависящего от батареи, в действительно самоподдерживающуюся экосистему. В то время как ни один метод сбора урожая еще не достиг плотности мощности химической батареи, синергия нескольких механизмов трансдукции - пьезоэлектрической, термоэлектрической, фотоэлектрической, трибоэлектрической и радиочастотной - в сочетании с электроникой сверхнизкой мощности и эффективным хранением энергии делает видение вечной, не требующей обслуживания носимой техники коммерчески жизнеспособным. Постоянные инвестиции в гибкие материалы, наноразмерное производство и адаптивное управление мощностью будут продвигать вперед производительность, в конечном итоге позволяя носимым устройствам, которые не только автономны, но и ненавязчивы, долговечны и экологически мягкие. Результатом будет новое поколение личных и медицинских устройств, которые остаются с пользователями, где бы они ни находились, никогда не нуждаясь в заряде, и всегда готовы контролировать, общаться и защищать.