Żegnajcie baterie? Zasil telefon tkaniną lub nadajnikiem z dźwiękiem

Wyobraź sobie, że szeleszczące nici w kieszeni dżinsów mogą naładować telefon komórkowy. Czujniki obrazu, które nie potrzebują baterii, ponieważ wytwarzają własną energię. Wkrótce może być możliwe jedno i drugie dzięki nowym materiałom i urządzeniom piezoelektrycznym.

Prasowanie, zgniatanie lub skręcanie takich materiałów powoduje powstanie ładunku elektrycznego. Dodaj obwód, aby przechwycić i przechowywać ten ładunek, a możesz przekształcić ruch w energię elektryczną.

Materiały piezoelektryczne (Pee-AY-zoh-ee-LEK-trik) nie są nowe. Ale nakłonienie ich do wytworzenia wystarczającej ilości energii elektrycznej do wykonania pożytecznej pracy jest. Obecnie większość takich materiałów wytwarza zaledwie kilka mikrowatów energii. Dla porównania, typowa żarówka LED potrzebuje około 8 milionów mikrowatów (8 watów). Większość dzisiejszych materiałów piezoelektrycznych jest również ceramiczna. Twarde, ale łatwe do złamania, mogą nie trwać zbyt długo.

Jednak dwa nowe projekty pokazują, jak te niezwykłe materiały mogą zasilać urządzenia, aby mogły działać w nowatorskich środowiskach. Jeden przekształca tkaniny. Drugi staje się przypominającym sonar latarnią nawigacyjną, ułatwiającą nawigację robotom podwodnym i nie tylko.

Wzmacniająca tkanina

Kamal Asadi zastanawiał się, jak mógłby stworzyć kieszeń, która mogłaby ładować telefon komórkowy. Asadi jest fizykiem na Uniwersytecie w Bath w Anglii. Aby stworzyć taką kieszeń do ładowania, potrzebowałby miękkiego i elastycznego materiału piezoelektrycznego. To eliminuje ceramikę. Ale nylon może zadziałać.

Zespół Asadiego stworzył bardzo cienkie nylonowe nici, które generują prąd, gdy je rozciągasz lub zgniatasz. K. ASADI

Ten wytrzymały, elastyczny i lekki plastik pojawia się we wszystkim, od kostiumów kąpielowych i odzieży sportowej po żyłki wędkarskie i struny do gitary. Większość nylonu nie jest piezoelektryczna. Ale niektóre rodzaje nylonu mają tę właściwość – wtedy i tylko wtedy, gdy najpierw nakłonisz go do utworzenia określonej struktury krystalicznej. Umieszczenie go w tej specjalnej strukturze jako długiej, cienkiej nici „jest trudne i wymagające”, zauważa Asadi. Ale jego zespół niedawno znalazł sposób, aby to zrobić.

Najpierw naukowcy rozpuścili granulki nylonu w mocnym kwasie. Następnie wykorzystali technikę zwaną elektroprzędzeniem, aby wystrzelić z igły bardzo cienką nitkę cieczy. Nić wysycha, gdy ląduje na płytce.

Jednak kiedy zespół spróbował tego po raz pierwszy, wysuszona nić nie była piezoelektryczna. Problem? „Cząsteczki kwasu lubią pozostawać wewnątrz nylonu” – wyjaśnia Asadi. „Są niezwykle szczęśliwe i zrelaksowane. Nie chcą wyjść”.

Więc dodał kolejny składnik. Nazywany acetonem (ASS-ih-toan), to ten sam składnik co w większości zmywaczy do paznokci. Ta substancja chemiczna podczas wysychania usuwała kwas z nylonowej nici. Asadi mówi: „To tak, jakby to mówiło do kwasu:„ OK, dobra robota. Rozpuściłeś [nylon]. Teraz czas odejść”.

Aby zademonstrować, że ich nowe włókna są piezoelektryczne, Asadi podłączył wykonaną z nich matę do obwodu. Następnie uczeń położył matę na swojej dłoni. Wystarczyło otworzyć i zamknąć dłoń, aby wytworzyć prąd.

Nie wystarczyło to aby naładować telefon komórkowy. „Chciałbym, żeby tak było” – mówi Asadi. Ale przy dużo większej pracy, mówi, taki wyczyn powinien być możliwy. Zespół Asadiego opisał swoje ustalenia 23 października w Advanced Functional Materials.

Był to jeden z pierwszych testów, które wykazały, że nici nylonowe mogą zamieniać ruchy ciała w elektryczność. I to jest wystarczająco ekscytujące dla większości badaczy.

Uczeń Kamala Asadiego położył na dłoni matę wykonaną z włókien piezoelektrycznych i przyczepił ją do maszyny mierzącej ładunek elektryczny. Kiedy otworzył i zamknął rękę, na ekranie pojawił się ładunek. K. ASADI

„To jest naprawdę rozciągliwe” – mówi Zhiqun Daniel Deng. Jest inżynierem i oceanologiem, który nie brał udziału w badaniach. Pracuje w Pacific Northwest National Laboratory w Richland w stanie Waszyngton. Włókna nylonowe mogą wytworzyć wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby uruchomić czujnik małej mocy, mówi Deng. Ale najpierw zespół Asadiego musiałby dodać obwód, aby zarządzać tą elektrycznością.

Czujniki piezoelektryczne małej mocy mogłyby pomóc w budowaniu Internetu Rzeczy. Jest to system czujników, które w czasie rzeczywistym dzielą się informacjami o ludziach, miejscach i rzeczach.

Na przykład czujniki piezoelektryczne na drogach mogą wykrywać ruch pojazdów w celu śledzenia ruchu lub oświetlania zbliżających się znaków drogowych lub świateł ulicznych w razie potrzeby. Czujniki na ciele lub w ubraniu mogą monitorować stan zdrowia lub śledzić sprawność fizyczną, pobierając energię z ruchu, gdy ktoś idzie. Czujniki monitorujące ocean mogą same zasilać się z ruchu wody.

Znalezienie drogi pod wodą

Inżynierowie Fadel Adib i Reza Ghaffarivardavagh z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge pracują nad jednym z takich podwodnych systemów. Najpierw wykorzystali materiały piezoelektryczne do zbudowania czujnika do pomiaru temperatury morza lub ciśnienia wody. Teraz modyfikują czujnik, aby działał trochę jak podwodna latarnia morska. Zamiast światła wysyłałby sygnały dźwiękowe, aby pomóc maszynom podwodnym w nawigacji.

Sygnały radiowe łatwo odbijają się między satelitami, telefonami komórkowymi i innymi urządzeniami, zauważa Ghaffarivardavagh. Te sygnały pomagają nam znaleźć drogę przez GPS. Ale kiedy sygnały radiowe docierają do wody, „umierają bardzo szybko” – wyjaśnia. Jednak fale dźwiękowe dobrze przemieszczają się w wodzie. Delfiny i niektóre wieloryby używają techniki zwanej echolokacją, aby znaleźć drogę. Emitują dźwięk, a następnie nasłuchują, jak jego echo odbija się od wszystkiego w pobliżu. To echo daje zwierzęciu szczegóły dotyczące otoczenia.

Podobną technikę wykorzystują roboty podwodne, łodzie podwodne i urządzenia śledzące ryby lub inne zwierzęta morskie. Aby jednak ustalić dokładną lokalizację, maszyny te potrzebują sieci stałych nadajników, które nasłuchują ich dźwięków, a następnie informują je dokładnie, gdzie się znajdują.

Podczas demonstracji zespół Rezy Ghaffarivardavagha przymocował do swojego czujnika małe zielone światło, aby pokazać, że może on generować moc, gdy uderzają w niego fale dźwiękowe. R. GHAFFARIVARDAVAGH

Aby monitorować zwierzęta wodne i ich podwodny świat, Deng często używa sieci takich latarni morskich. Ale trzeba je wymienić, gdy wyczerpią się ich baterie, co może być ogromnym problemem. „Czasami” – mówi – „wystawiasz je na rok, odzyskujesz je i zdajesz sobie sprawę, że że nigdy nie działało. To nasz najgorszy koszmar jako badaczy ”.

Natomiast czujniki grupy MIT nigdy nie potrzebowałyby baterii. Zasilają się za pomocą drgań uderzających w nie fal dźwiękowych. Ceramika piezoelektryczna zamienia te wibracje w energię elektryczną.

Obwód wykorzystuje tę energię elektryczną do wybudzania czujnika. Następnie odbija fale dźwiękowe z powrotem do wody. Czujnik nie budzi się jednak przy wszystkich rodzajach dźwięku. Nasłuchuje częstotliwości wysyłane przez ludzkie maszyny lub urządzenia śledzące.

Studenci MIT Sayed Saad Afzals i Osvy Rodriguez upuszczają czujniki do rzeki Charles w Bostonie. Kiedy fale dźwiękowe uderzają w te czujniki, wibrują. Materiały piezoelektryczne zamieniają ten ruch w elektryczność. Takie czujniki mogą być używane do pomiaru oceanu lub do nawigacji. GRUPA MIT SIGNAL KINETICS

Pewnego mroźnego dnia w Bostonie na początku 2020 roku zespół Ghaffarivardavagha wyruszył, aby przetestować swoje czujniki w rzece Charles. Fale dźwiękowe pobudziły te czujniki do wybudzenia i rozpoczęcia pracy. Naukowcy opisali swoją nowatorską technologię w listopadzie na 19. warsztatach Stowarzyszenia Maszyn Komputerowych na temat gorących tematów w sieciach.

Czujniki nie przesyłają jeszcze swoich sygnałów na tyle daleko, aby Deng i inni naukowcy mogli z nich korzystać. Ich dokładność też mogłaby być lepsza. Ale jeśli grupa MIT będzie w stanie ulepszyć swoją technologię, Deng ma nadzieję, że pewnego dnia wykorzysta ją do śledzenia zwierząt morskich i ryb, w tym łososia, węgorza i alozy [ang. shad].

„Wiemy więcej o Księżycu niż o podwodnym świecie” – mówi Ghaffarivardavagh. Może w przyszłości nie będzie to już prawdą, mówi, częściowo dzięki materiałom piezoelektrycznym.

Źródło: Kathryn Hulick

S. Anwar et al. Piezoelectric Nylon‐11 Fibers for Electronic Textiles, Energy Harvesting and SensingAdvanced Functional Materials. Published online October 23, 2020. doi: 10.1002/adfm.202004326.

R. Ghaffarivardavagh et al. Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS. HotNets ’20: Proceedings of the 19th ACM Workshop on Hot Topics in Networks, November 2020. Virtual Event, USA. doi: 10.1145/3422604.3425950.

Zdjęcie: Getty Images

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x