محققان موسسه علم و فناوری دائگو جیونگبوک(DGIST) در کره جنوبی یک دستگاه جمع‌آوری انرژی بسیار کارآمد ساخته‌اند که حرکات بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

قابل ذکر است که این دستگاه جدید، ۲۸۰ برابر بازده تبدیل انرژی بیشتری نسبت به برداشت کننده‌های انرژی پیزوالکتریک معمولی دارد.

این دستگاه از اثر پیزوالکتریک استفاده می‌کند، پدیده‌ای که در آن مواد خاصی در پاسخ به فشار مکانیکی، بار الکتریکی تولید می‌کنند. این بدان معنی است که فعالیت‌هایی مانند راه رفتن، خم شدن یا حتی حرکات ظریف بدن را می‌توان برای تولید برق مورد استفاده قرار داد.

مواد پیزوالکتریک دارای یک عدم تقارن ذاتی در توزیع بار خود هستند و هنگامی که تحت فشار مکانیکی مانند خم شدن یا کشش قرار می‌گیرند، این عدم تقارن بیشتر تقویت می‌شود و منجر به جدایی بارها و تولید پتانسیل الکتریکی در سراسر ماده می‌شود.

این تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی اساس برداشت انرژی پیزوالکتریک را تشکیل می‌دهد.

محدودیت‌های موجود

در حالی که مفهوم برداشت انرژی پیزوالکتریک جدید نیست، کاربرد آن در دستگاه‌های پوشیدنی به دلیل محدودیت در خواص این مواد و طراحی دستگاه‌ها با مانع مواجه شده است.

پروفسور جانگ کیونگ-این(Jang Kyung-In) سرپرست این مطالعه گفت: در مراحل اولیه تحقیقات، دستگاه‌های پیزوالکتریک غیرآلی که امکان برداشت کارآمد انرژی از ارتعاشات با فرکانس بالا را فراهم می‌کردند به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتند. با این حال، این طرح‌های مرسوم، زمانی محدود می‌شوند که در قالب‌های انعطاف‌پذیر و قابل کشش اعمال شوند.

بسیاری از مواد با پاسخ‌های پیزوالکتریک قوی، مانند سرب زیرکونات تیتانات(PZT)، ذاتاً سخت و شکننده هستند. این باعث می‌شود آنها برای ادغام در دستگاه‌های پوشیدنی انعطاف پذیر و راحت، نامناسب باشند.

غلبه بر چالش‌ها در طراحی مواد

تیم تحقیقاتی کره‌ای از طریق مهندسی مواد نوآورانه بر این مانع غلبه کرد.

آنها یک ساختار سه بعدی منحصر به فرد ابداع کردند که امکان استفاده از PZT را در عین حفظ درجه بالایی از انعطاف پذیری و کشش فراهم می‌کند.

در این مطالعه آمده است: ساختارهایی با قابلیت خمش سه بعدی به طور گسترده‌ای برای ایجاد کشش به دستگاه‌ها استفاده شده است. این تضمین می‌کند که دستگاه می‌تواند برای پوشیدن راحت و بدون مزاحمت با بدن انسان مطابقت داشته باشد.

علاوه بر این، محققان یک طرح الکترود جدید را معرفی کردند. این طرح که به آن «الکترود جفت مخصوص انحنا» گفته می‌شود، با جلوگیری از لغو بارهای الکتریکی تولید شده در طول حرکت، جذب انرژی کارآمد را تضمین می‌کند. این امر به میزان قابل توجهی به کارایی کلی دستگاه کمک می‌کند.

محققان افزودند: این طراحی لغو معمولی خروجی الکتریکی مشاهده شده در سیستم‌های معمولی را دور می‌زند و تضمین می‌کند که هر بخش از نانو ژنراتور به طور مؤثری به تولید کلی انرژی کمک می‌کند.

مفاهیم و جهت‌گیری‌های آینده

این برداشت کننده انرژی بسیار کارآمد، راه را برای وسایل الکترونیکی پوشیدنی خودکار هموار می‌کند.

چنین دستگاه‌هایی به طور بالقوه می‌توانند نیاز به شارژ مکرر باتری یا تعویض آن را در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله ساعت‌های هوشمند، ردیاب‌های تناسب اندام و حسگرهای پزشکی برطرف کنند.

این پژوهش نشان دهنده یک گام بزرگ رو به جلو در زمینه فناوری پوشیدنی است. رویکرد نوآورانه این تیم برای طراحی مواد و پیکربندی الکترود، دستگاهی را به وجود آورده است که این پتانسیل را دارد که نحوه قدرت‌گیری دستگاه‌های پوشیدنی خود را تغییر دهد.

تحقیق و توسعه بیشتر بر بهینه‌سازی این فناوری برای کاربردهای تجاری و بررسی پتانسیل کامل آن در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی مختلف متمرکز خواهد بود.