Lấy năng lượng từ cơ thể người cung cấp cho thiết bị điện tử

Thiết bị bao gồm ba phần chính: pin nhiên liệu sinh học chạy bằng mồ hôi, thiết bị hỗ trợ chuyển động được gọi là máy phát điện ma sát và siêu tụ điện lưu trữ năng lượng. Tất cả các bộ phận đều linh hoạt, có thể giặt được và in lụa lên quần áo.

Lu Yin, đồng tác giả đầu tiên, tiến sĩ kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs, cho biết: “Chúng tôi đang áp dụng khái niệm về lưới điện siêu nhỏ để tạo ra các hệ thống đeo được cung cấp năng lượng bền vững, đáng tin cậy và độc lập.

Giống như lưới điện siêu nhỏ của thành phố tích hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo cục bộ như gió và mặt trời, lưới điện siêu nhỏ có thể đeo được tích hợp các thiết bị thu năng lượng cục bộ từ những các bộ phận khác nhau của cơ thể, như mồ hôi và chuyển động, đồng thời chứa năng lượng dự trữ”.

Tế bào nhiên liệu sinh học thu năng lượng từ mồ hôi được đặt bên trong áo ở ngực. Các thiết bị chuyển đổi năng lượng từ chuyển động thành điện năng - được gọi là máy phát điện ma sát - được đặt bên ngoài áo trên cánh tay và hai bên thân gần thắt lưng. Họ thu năng lượng từ chuyển động đung đưa của cánh tay vào thân mình khi đi bộ hoặc chạy. Siêu tụ điện bên ngoài áo trên ngực tạm thời lưu trữ năng lượng từ cả hai thiết bị và sau đó phóng điện để cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử nhỏ.

Thu hoạch năng lượng từ cả chuyển động và mồ hôi cho phép microgrid có thể đeo được cung cấp năng lượng cho các thiết bị một cách nhanh chóng và liên tục. Máy phát điện ma sát cung cấp năng lượng ngay khi người dùng bắt đầu di chuyển, trước khi đổ mồ hôi. Khi người dùng bắt đầu đổ mồ hôi, mạng tế bào nhiên liệu sinh học bắt đầu cung cấp năng lượng và tiếp tục làm như vậy sau khi người dùng ngừng di chuyển.

Yin giải thích: “Khi bạn cộng hai điều này lại với nhau, chúng sẽ bù đắp cho những thiếu sót của nhau. Chúng bổ sung và hiệp lực để cho phép khởi động nhanh và cung cấp năng lượng liên tục”. Toàn bộ hệ thống khởi động nhanh gấp hai lần so với chỉ sử dụng pin nhiên liệu sinh học và kéo dài gấp ba lần so với chỉ sử dụng máy phát điện ma sát.

Lưới điện siêu nhỏ có thể đeo được thử nghiệm trên một đối tượng trong các phiên kéo dài 30 phút bao gồm 10 phút tập thể dục trên máy đạp xe hoặc chạy, sau đó là 20 phút nghỉ ngơi. Hệ thống có thể cấp nguồn cho đồng hồ đeo tay LCD hoặc màn hình điện sắc nhỏ - một thiết bị thay đổi màu sắc để đáp ứng với điện áp đặt vào - trong mỗi phiên kéo dài 30 phút.

Mạng tế bào nhiên liệu sinh học được trang bị các enzym kích hoạt sự trao đổi điện tử giữa phân tử lactate và oxy trong mồ hôi con người để tạo ra điện. Làm việc với các đồng nghiệp tại Trung tâm cảm biến đeo được của UC San Diego, sau đó họ đã cập nhật công nghệ để có thể co giãn và đủ mạnh để chạy các thiết bị điện tử nhỏ. Máy phát điện ma sát được làm bằng vật liệu tích điện âm, đặt trên cẳng tay và vật liệu tích điện dương, đặt ở hai bên thân.

Khi cánh tay vung vào thân trong khi đi bộ hoặc chạy, các vật liệu tích điện trái dấu cọ xát với nhau và tạo ra điện. Mỗi thiết bị đeo cung cấp một loại năng lượng khác nhau. Mạng tế bào nhiên liệu sinh học cung cấp điện áp thấp liên tục, trong khi máy phát điện ma sát cung cấp xung điện áp cao. Để hệ thống cấp nguồn cho thiết bị, các điện áp khác nhau này cần được kết hợp và điều chỉnh thành một điện áp ổn định. Đó là nơi siêu tụ điện phát huy tác dụng; chúng hoạt động như một bể chứa tạm thời lưu trữ năng lượng từ cả hai nguồn điện và có thể xả năng lượng khi cần thiết.

Yin so sánh việc thiết lập với một hệ thống cấp nước: “Hãy tưởng tượng mạng tế bào nhiên liệu sinh học giống như một vòi chảy chậm và máy phát điện ma sát giống như một vòi phun ra những tia nước. Trong khi siêu tụ điện là bể chứa mà cả hai đều nạp vào và bạn có thể rút từ bể đó theo bất kỳ cách nào bạn cần”. Mọi bộ phận được kết nối với nhau bằng các khớp nối bạc linh hoạt cũng được in trên áo và được cách nhiệt bằng lớp phủ chống thấm nước.

Hiệu suất của từng bộ phận không bị ảnh hưởng bởi việc uốn, gấp và vò nhiều lần hoặc giặt trong nước - miễn là không sử dụng chất tẩy rửa. Yin cho biết, đổi mới chính của công việc này không phải là bản thân thiết bị đeo được, mà là sự tích hợp có hệ thống và hiệu quả của tất cả thiết bị.

“Chúng tôi không chỉ cộng A và B lại với nhau và gọi đó là một hệ thống. Chúng tôi đã chọn các bộ phận có hệ số hình thức tương thích (mọi thứ ở đây đều có thể in được, linh hoạt và co giãn được); hiệu suất phù hợp; và chức năng bổ sung, có nghĩa là tất cả chúng đều hữu ích cho cùng một kịch bản (trong trường hợp này là chuyển động nghiêm ngặt)”.

Hệ thống cụ thể này hữu ích cho điền kinh và những trường hợp khác mà người dùng đang tập thể dục. Nhưng đây chỉ là một ví dụ về cách sử dụng microgrid có thể đeo được. Yin bình luận: “Chúng tôi không giới hạn bản thân trong thiết kế này. Chúng tôi có thể điều chỉnh hệ thống bằng cách chọn các loại máy thu năng lượng khác nhau cho những tình huống khác nhau”. Nhóm nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các thiết kế khác có thể thu năng lượng trong khi người dùng đang ngồi trong văn phòng chẳng hạn hoặc di chuyển chậm ra ngoài.