Що таке Kinetic Energy Harvesting?

Збір енергії Кінетична енергія захоплює механічну енергію, вироблену рухами і перетворює її в їстівну електричну потужність. Концепція будує на фундаментальній фізикі: будь-який рухомий об'єкт несе кінетичну енергію, яка може бути трансформована через електромагнітну індукцію, пекоелектричні ефекти, або електростатичний індукційний. У зносній технології цей принцип дозволяє пристрою для розсіяння енергії від людського руху—порожіння, бігу, або навіть пригнічення— без релігування на зовнішніх витоках або одноразових акумуляторах.

Ефективність кінетичних зернових комбайнів змінюється за допомогою механізму і активності. Наприклад, бриска прогулянка може виробляти 1–10 міліватів безперервної потужності в залежності від конструкції та сили удару ніг. Хоча не достатньо заряджати телефон безпосередньо, що енергія може захопити невелику акумулятор або суперконденсатор протягом декількох годин. Дослідники показали, що вживані генератори, що випускають до 250 міліватів під важку ходьбою, досить для живлення низької енергії Bluetooth датчика або зносостійкий фітнес-трекер.

Як працює Кінетична збирання в смарт-нижку

Розумне взуття поширюють одну або більше технологій перетворення енергії в підошві, каблук або інсол. Коли нога носія компресує збирач з кожним кроком, механічний стрес або зміщення створює електричний струм. Цей струм відхилений, умовний і зберігається в акумуляторному акумуляторі або суперконденсаторі, інтегрованому в взуття або невеликий зовнішній модуль. Збережена енергія може бути використана для заряджання смартфона, бездротових вушників або інших портативних електронних пристроїв через USB‐C або бездротовий порт зарядки вбудований в взуття.

Основні технології енергозберігаючих

  • Piezoелектричні матеріали генерують електричний заряд при деформовані. У смарт-взутті в підошві вкладають гнучкі пирогелектричні плівки або волокна. Кожен нижній водоспад компресує матеріал, виробляє напруги, які додають понад тисячі кроків. Загальні матеріали включають свинцю цирконітний титанат (PZT) і полівініліден фтор (PVDF). Сила: компактні, не рухомі частини. Зносості: керамічні варіанти можуть бути ламкими; вихід пульсується і вимагає розгладжування ланцюгів.
  • Електромагнітні генератори використовують ковзаючий магніт всередині котушки. З кожним кроком магніт рухається відносно котушки, знижуючи струм. Ці генератори можуть виробляти більш високі рівні потужності (10–100 мВт) але додати вагу і насип. Деякі конструкції використовують люльок або доріжки для захоплення як каблук, так і рухомого пальця. Сила: міцна, добре піддається технології. Зносостійкі деталі можуть носити або викликати дискомфорт.
  • Triboелектричні наногенератори (TENGs) спираються на електрифікацію контакту та електростатичний індукційний. Як два матеріали торкнуться і роздільні—наприклад, силіконова плівка і провідна тканина—заряджається вгору і протікає через зовнішній контур. ТЕНС можна зробити м'які, тонкі, гнучкі, що відповідають контуру стопи. Сила: висока напруга виходу, різноманітні матеріальні вибіри. Зносості: струм низький; довговічність при повторному стиснення все ще покращується.

Гібридні підходи

Багато останніх прототипів поєднують два або більше методів збору врожаю, щоб покрити більш широкий спектр швидкості руху і тиску ніг. Наприклад, взуття може використовуватися пекзоелектрична вставка для удару каблука (що забезпечує високу силу) і ТЕН в серединізолу для рухомого руху. Комбінований вихід може перевищувати 30 мВт, достатній для збереження невеликого датчика Інтернету речей без основного акумулятора.

Приклади додатків та реальних прикладів світу

Взуття для збору енергії Кінетична енергія перемістила з академічних лабораторій до комерційних пілотних програм. Один видатний приклад SolePower], стартап, який розвивав робочі черевики та ізольовані з інтегрованими електромагнітними генераторами. Їх прототип може заряджати акумулятор смартфона до 50 відсотків після восьми годин ходьби. Ще один ]PowerWalk Bionic Power, спочатку призначений для військового персоналу, який використовує зерновий комбайн, але надихнув варіанти взуття. Дослідники в Університеті Ута та Університеті Віконсін показали, що достатній модуль для взуття, який генерує потужність

За межами споживчих зносних, кінетичний смарт взуття має практичне використання в віддалених зонах або для польових працівників, які не мають надійного доступу до живлення. Набір самозаряджувальних завантажувачів може зберігати ходько-талькі, ліхтарик або медичний датчик, що працює під час довгих зрушень. Деякі компанії також досліджують програми в спортивній аналітикі: шляхом збирання зернових комбайнів поряд з датчиками тиску, взуття може як і сама влада, так і забезпечити в реальному часі дані про припливу до тренера.

Переваги кінетичної енергії збирання в нижню білизну

  • ]Сучасне, автономне живлення – Знижує реліанс на односторонні батареї і необхідність пошуку розеток. Для щоденних коммутаторів або шейкерів, зручність взуття, що заряджає пристрої під час звичайних кроків є значним.
  • Внутрішньоефективний вплив – Fewer одноразові батареї – це менше токсичних відходів. Якщо широко прийнятий, кінетичний взуття може скоротити мільйони водовідведення в рік. Крім того, збирання енергії не додає викиди вуглецю при генерації.
  • Здоров’я та стимулювання активності – Користувачі, які знають свої кроки, виробляють Зручну потужність, можуть бути мотивовані прогулятися більше. Деякі дослідницькі прототипи навіть відображають «збір енергії» на смартфоні додаток, гаміфікуючи фізичні навантаження.
  • Інтеграція з іншими зносними засобами] – Взуття для енергозберігаючих пристроїв може служити джерелом безперервної потужності для мережі Body‐area: смарт-годинник, патч здоров’я, AR-скелки або медичний імплант. Це виключає необхідність багаторазового заряджання кабелів і зменшує пристрій в режимі нічний час.

Виклики та обмеження

Незважаючи на чітку обіцянку, збирання кінетичної енергії в в взутті обличчям декількох родів.

  • Енергетична щільність – Режим людини забезпечує 1–10 Вт механічної потужності, але зернозбиральні комбайни захоплюють тільки дроб. Для заряджання смартфона (10 Вт батареї) в день, бахіл потрібно буде доставити ~400 мВт середнє — вище поточних практичних виходів (10–50 мВт для більшості прототипів). На даний момент збирання енергії найкраще підходить для пристроїв низької потужності або стебел.
  • ]Дурентабельність і комфорт – Взуття проходять багаторазове флексування, волога, перепади температур і бруду. Жилети повинні вижити 500,000 до 1 мільйонів кроків без збою, зберігаючи легкий і ненав'язливий. Ранні пизоелектричні кераміки часто тріщинуються; нові гнучкі полімери і захисні онкостуляції допомагають але додавати складність.
  • Cost] – інтегруючі зернозбиральні комбайни з електромережами підвищують виробничі витрати. Поточні експериментальні черевики вартістю сотні доларів за пару. Масове виробництво та прості конструкції можуть звести ціни на рівні основного потоку, але досягаючи цього пункту вимагає інвестицій у виробничу шкалу.
  • Прийняття користувача] – Додаткові компоненти можуть зробити взуття трохи важче або жорсткіше, що впливає на комфорт. Багато зносних користувачів не готові до торгівлі природними ходьками, що відчувають зарядку. Проектування зернових, які практично невидимі і ваговенерал є постійним завданням.

Майбутні напрямки

Дослідження та розробка продовжуються на декількох фронтах, щоб подолати ці бар’єри.

  • Advanced Materials – Нові пирогелектричні полімери (наприклад, поліуреа, PVDF‐TrFE) пропонують гнучкість і поліпшене втому життя. Триноелектричні матеріали з високою щільністю заряду і самооцінюючи властивості проходять випробування. Графен та інші матеріали 2D можуть включати в себе близько-прозорі, супер-ефективні зернозбиральні машини.
  • Енергетичні ланцюги управління – Адаптивні випрямлячі та алгоритми максимального рівня-потужного відстеження можуть видобути більше енергії від змінних ударів стоп. Вдосконалення «енергетичного збору інтегрованих ланцюгів» (EH‐ICs) перетворення ультра-низькі сигнали напруги до стабільного виходу над 3 В, що робить їх практичним для зарядки літієвої дії.
  • Артальний інтелект для прогнозування потужності - Моделі машинного навчання, які аналізують моделі gait, можуть прогнозувати, коли надходять високі енергетичні кроки (наприклад, біг проти повільної ходьби) і регулювання маршрутизації живлення для максимальної ефективності. Цей «контексто-апарат» ще на ранні дослідження, але показує обіцянку для підвищення чистого виходу на 20–30 %.
  • Інтеграція з смарт тканинами та енергосховищем – Наступний покоління смарт-взуттєвих машин може переплести зернові комбайни безпосередньо в текстильну верхню, використовуючи провідні нитки та гнучкі надконденсатори, які подвійні як структурні шари. Такий підхід може усунути об'ємні модулі і зробити всю частину взуття енергетичної системи.
  • Стандартні протоколи зарядки] – Індорії промисловості досліджують «вантажувальну потужність автобуса», що дозволяє будь-яким кінетичним способом заварювати пристрої безпроводових зарядів через загальний інтерфейс (Qi або новий стандарт низької потужності). Це дозволить розширити взаємопроникність і прискорити прийняття.

Зовнішні дослідження з Натурні наукові звіти та Science Advances] документи, що не мають дозволу на гнучкі TENGs та гібридні генератори, а галузеві групи, як IDTechEx звіт про зносну технологію трек-кондиціоналізація. Компанії, такі як SolePower та Bionic Power, щоб забезпечити дослідження завантаження та інсолі, які перенесли прототипи.

Висновок

Збір енергії в смарт-взутті зрілий з лабораторій в життєздатну технологію для безперервної зарядки пристрою. Захоплюючи механічну енергію кожного кроку і перетворюючи її в електрику, ці черевики можуть з'єднуватися низькоенергія, зменшити відходи акумулятора і заохочувати більш активний спосіб життя. В той час як поточні джерела енергії є скромними і викликами довговічності, вартості і комфорту залишаються, швидке просування в матеріалах науки, схеми проектування і виробництво закриває зазор. Протягом наступних п'ятидесят років ми можемо очікувати самозаряджання взуття, щоб стати доступним, практичним варіантом для споживачів і професіоналів, як-перемовляючи один крок ближче до світу, де наші пристрої є прості джерела енергії.