Ещё каких-то 10–15 лет назад учёные и инженеры только мечтали о том, что носимая электроника (фитнес-браслеты, модные «умные часы» и различные датчики) плотно обоснуется в повседневной жизни человека. Сегодня же мы уже во всю обсуждаем интернет вещей (IoT) и умные устройства, с помощью которых можно управлять нашим домом через интернет.

Фактически здесь и сейчас мы являемся свидетелями перехода «носимой» электроники в стадию «встраиваемой в человеческое тело», когда тот же фитнес-браслет достаточно будет наклеить на запястье перед выходом из дома, или встроить себе чип с дополнительной памятью прямо в мозг .

Буквально с год назад была опубликована статья о трибоэлектричестве, в которой были продемонстрированы основные принципы работы так называемых трибоэлектрических генераторов (TriboElectric Generator — TEG). В след за ней, из-за обилия материала (статьи выходили и продолжают выходить в самых престижных научных журналах с завидной регулярностью, прямо как автомобили с завода Генри Форда) последовал уже целый обзор по данной технологии. Поэтому из-за обилия накопившегося за прошедший год материала, нынешняя статья будет разбита на две части, посвященным двум основным вопросам носимой электроники: собственно, откуда брать электроэнергию, и какие устройства этой энергией можно запитать.

Вот, к примеру, батарейка в современном фитнес-браслете может занимать половину и даже больше его объёма. Пожалуй, с элементов или, я бы сказал, «способов» питания и начнём.

Трибоэлектричество – разность потенциалов и соответственно разделение зарядов, которое возникает при трении двух материалов друг о друга. Данное явление чем-то напоминает всем известное статическое электричество. Изготовить генератор трибоэлектричества можно простой комбинацией двух материалов, способных заряжаться негативно или позитивно (панель а) на рисунке ниже). Простые движения такие, как изгибы, растяжение и сжатие приводят к смещению двух выбранных материалов, в результате чего генерируется как разность потенциалов, и происходит разделение – или, если угодно – перераспределение зарядов между соприкасающимися материалами, что, по сути дела, и является электрическим током (панель b).

Гибкие трибоэлектрические генераторы – это альтернативный метод перевода окружающей механической энергии (колебания, движения) в энергию электрическую.

а) Примеры самых распространённых трибоэлектрических материалов, способных накапливать положительный и отрицательный заряды. b) Схематичное описание принципа работы трибоэлектрического генератора (TEG). с) Основные секторы применения трибоэлектрических генераторов – от умных линз до зарядки умных часов и очков, а также требуемый уровень мощности генератора.

В настоящее время данными разработками активно занимаются корейские исследователи, которые уже создали огромное количество самых разнообразных трибоэлектрических генераторов, покрывающих значения мощности от долей микроВт/см² (о них мы говорили в предыдущем обзоре ) до десятков Вт/см², что, согласитесь, уже достаточно для того, чтобы запитать умные очки или часы. Что ж, давайте о некоторых интересных примерах в данной области поговорим чуть более подробно.

Обзорная статья «Triboelectric Generators and Sensors for Self-Powered Wearable Electronics» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b01478).

Текстиль, как основа для трибоэлектрических генераторов

Задумывались ли Вы когда-нибудь, сколько раз за день наша одежда претерпевает изгибов, сжатий и растяжений, когда мы двигаемся?! Нам кажется это пустяковым, однако выработанного электричества при деформации одежды вполне может хватить на зарядку фитнес-браслета или датчиков на теле.

Вот, к примеру, исследователи из Center for Human Interface Nanotechnology, что располагается в Южной Корее, совместно со своими коллегами из австралийского Institute for Superconducting and Electronic Materials создали специальный текстильный материал, позволяющий превращать механическую энергию движений в электрическую.

Для создания такого трибоэлектрического наногенератора (TriboElectric NanoGenerator – TENG) использовали токопроводящую ткань, на которую затем нанесли стержни оксида цинка (ZnO), покрытых полимерной изолирующей оболочной из полидиметилсилоксана (PDMS). Полученный текстиль выдерживает до 12 000 циклов нагрузки (сдавливания), при этом выдаёт около 170 В и 65 микроА, что является эквивалентов 1.1 мВт мощность. При этом требуемое усилие составляет всего 10 кгс (~100 H).

(a-b) Схематическое представление созданной ткани: между слоями текстурированного серебром, иначе говоря, проводящего текстиля разместили TENG. (с-d) Фотографии реального прототипа на микро и макро уровне, соответственно.

Принцип работы устройства продемонстрирован на схеме ниже. При сдавливании два слоя устройства соприкасаются (a), происходит перераспределение зарядов (b), вызывающих электрический ток, если ослабить внешнее воздействие (с). Затем система возвращается в равновесное состояние (d) и при очередном нажатии ток уже бежит в противоположную сторону (e).

Постадийная схема работы трибоэлектрического наногенератора (TENG)

Полученный в итоге текстиль по своим характеристикам мало чем отличается от обычной ткани. Его можно в качестве (пока?!) браслета встроить в одежду и использовать для электропитания различных устройств, встроенных в умную одежду – например, различные опознавательные знаки или даже пульт от автомобиля!

Внедрение трибоэлектрических наногенераторов на примере умной одежды

Оригинальная статья «Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric Nanogenerator» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/nn507221f).

Другая группа южнокорейских учёных из университетов городов Ульсана (Ulsan National Institute of Science and Technology) и Сувона (Sungkyunkwan University) совместно с американскими коллегами из Атланты (Georgia Institute of Technology) предложили способ создания не бутерброда из различных структурированных тканей, как мы видели ранее, а самих волокон, которые уже вплетаются в любую ткань (в описанной статье использовалася водоотталкивающая ткань).

Основу таких волокон составляют алюминиевая фольга с наноструктурированным слоем всё того же изолирующего полимера PDMS и алюминиевая проволка микроразмера, покрытая стержнями оксида цинка ZnO.

Схематическое изображение нового типа нитей, вплетаемых в ткань для создания трибоэлектрических генераторов – чем-то напоминает червяка, поглощающего харвестры из Dune 2000, не правда ли?!

Данная разработка имеет ряд преимуществ. Например, не требуется создавать новый тип ткани и новые производства, достаточно лишь вплести полученные волокна в практически любой современный тканный материал. С другой стороны, даже для отдельных волокон исследователям удалось получить мощность около 4 мВт (40 В при токе в 120 микроА), при этом материал может растягиваться до 25% в одном из направлений.

Электрические характеристики полученных образцов трибоэлектрической ткани

Более того, полученную трибоэлектрическую ткань можно одновременно использовать в качестве датчика, так как вырабатываемый ток пропорционален степени растяжения. Данная разработка, с большой долей вероятности, будет интересна спортсменам и медицинским работникам для точного детектирования движений спортсменов и пациентов.

Датчик движения на основе трибоэлектрической ткани: ток пропорционален степени растяжения

Оригинальная статья «Highly Stretchable 2D Fabrics for Wearable Triboelectric Nanogenerator under Harsh Environments» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.5b02010).

Высокая мощность для умных часов

И наконец, мы добрались до самых мощных устройств на основе трибоэлектрических генераторов. Китайские исследователи и их американские соратники умудрились создать TEG, выдающий до 10⁴ Вт/м² мощности при токе 10⁴ А/м². Это абсолютный рекорд для такого рода устройств на сегодняшний день!

Одна из версий такого трибоэлектрического генератора представлена на рисунке ниже. Это так называемый поворотный TEG, в котором, по словам учёных, достигается большее время контакта «электродов» для отвода накопленного заряда и, следовательно, пропорционально увеличивается ток.

a) Схема представленного устройства. b) Зависимость вырабатываемого тока от скорости вращения. c) Вырабатываемый ток при 1600 оборотах в минуту и внешней нагрузке в 500 Ом, установленной после диодного моста.

Созданный TEG достаточно компактен. Площадь двух вращающихся плоскостей составляет всего 25 см2 (то есть линейные размеры такого генератора 5–7 см).

Принципиальная схема работы устройства на основе представленного трибоэлектрического генератора

Остаётся надеяться, что дальнейшие разработки в данной области позволят создать ещё более мощный, но в то же самое время миниатюрный трибоэлектрический генератор для интеграции с уже существующими портативными устройствами.

Оригинальная статья «Pulsed Nanogenerator with Huge Instantaneous Output Power Density» опубликована в ACSNano (DOI: 10.1021/nn403151t).

Вместо вывода

Итак, сегодня мы познакомились с основными достижениями в области создания трибоэлектрических генераторов, покрывающих большой диапазон мощностей производимой электроэнергии: от мВт/м² до Вт/м² (а в некоторых случаях и килоВатт!). В последние два года опубликовано множество статей, сами генераторы эволюционировали от огромной коробки до миниатюрных волокон, вплетаемых в обычную ткань. И, зная корейцев, мы можем с уверенностью рассчитывать на скорое появление трибоэлектрических генераторов в реальных смартфонах или фитнес-браслетах.

Поживём – увидим!

А в следующей части, мы обратимся к примерам реальной носимой электроники, которые уже созданы в лабораториях и ждут своей очереди перед дверьми инженерных бюро производителей микроэлектроники.