Новое устройство, которое собирает энергию из потных кончиков пальцев

«Обычно требуется максимальная отдача от инвестиций в энергию. Вы не хотите тратить много энергии на упражнения, чтобы вернуть лишь немного энергии », — говорит старший автор Джозеф Ван (@JWangnano), профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Но здесь мы хотели создать устройство, адаптированное к повседневной деятельности, которое почти не требует затрат энергии — вы можете полностью забыть об устройстве и пойти спать или выполнять настольную работу, например, печатать, но при этом продолжать генерировать энергию. Вы можете назвать это «силой бездействия» ».

Предыдущие энергетические устройства на основе пота требовали интенсивных упражнений, таких как много бега или езды на велосипеде, прежде чем пользователь вспотел настолько, чтобы активировать выработку энергии. Но большое количество энергии, потребляемой во время упражнений, может легко нейтрализовать производимую энергию, что часто приводит к окупаемости энергии менее 1%.

Это устройство — вместо того, чтобы полагаться на внешние, нерегулярные источники, такие как солнечный свет или движение — все, что ему нужно, — это контакт пальцем, чтобы собрать более 300 мДж энергии во время сна, чего, по словам авторов, достаточно для питания небольшой носимой электроники. Поскольку движение не требуется, соотношение между собранной и вложенной энергией по существу бесконечно.

Может показаться странным выбирать кончики пальцев в качестве источника пота, скажем, под подмышками, но на самом деле кончики пальцев имеют самую высокую концентрацию потовых желез по сравнению с другими частями тела.

«Выделение большего количества пота на пальцах, вероятно, эволюционировало, чтобы помочь нам лучше удерживать предметы», — говорит первый соавтор Лу Инь (@YinLu_CLT), аспирант по наноинженерии, работающий в лаборатории Вана. «Скорость потоотделения на пальце может достигать нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту. Это значительно по сравнению с другими участками тела, где уровень потоотделения может быть на два или три порядка меньше ».

Устройство представляет собой тип сборщика энергии, называемого биотопливным элементом (BFC), и питается от лактата, соединения, растворенного в поте. Снаружи он выглядит как простой кусок пены, подключенный к цепи с электродами, каждый из которых прикреплен к подушечке пальца. Пена сделана из материала углеродных нанотрубок, и устройство также содержит гидрогель, который помогает максимально впитывать пот.

«Размер устройства — около 1 сантиметра в квадрате. Его материал также гибкий, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, что он будет слишком жестким или странным. Вы можете комфортно носить его в течение длительного периода времени », — говорит Инь.

Внутри устройства происходит серия электрохимических реакций. Ячейки снабжены биоферментом на аноде, который окисляет или удаляет электроны из лактата; на катоде нанесено небольшое количество платины, чтобы катализировать реакцию восстановления, в которой электрон превращает кислород в воду. Как только это происходит, электроны текут из лактата по цепи, создавая электрический ток. Этот процесс происходит спонтанно: пока есть лактат, никакой дополнительной энергии для его запуска не требуется.

Отдельно от BFC, но в дополнение к нему, к устройству присоединены пьезоэлектрические генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электричество, чтобы собирать до 20% дополнительной энергии. Основываясь на естественном сжимающем движении пальцев или повседневных движениях, таких как набор текста, эти генераторы помогали производить дополнительную энергию практически от любой работы: одно нажатие пальца один раз в час требовало всего 0,5 мДж энергии, но производило более 30 мДж энергии, т.е. 6000 % возврата инвестиций.

Исследователи смогли использовать устройство для питания эффективных систем определения витамина C и натрия, и они с оптимизмом смотрят на усовершенствование устройства, чтобы в будущем иметь еще большие возможности, которые могут сделать его пригодным для применения в области здравоохранения и хорошего самочувствия, таких как глюкоза метров для людей с сахарным диабетом. «Мы хотим сделать это устройство более интегрированным в носимые формы, такие как перчатки. Мы также изучаем возможность беспроводного подключения к мобильным устройствам для расширенного непрерывного зондирования », — говорит Инь.