Американские ученые разработали умную куртку, в которой сочетаются два вида получения электроэнергии из человеческого тела. Трибоэлектрический генератор вырабатывает электричество за счет трения, когда человек движется, а работающий на поту человека биотопливный элемент — даже после того, как движение прекратилось. За десять минут быстрой ходьбы такая куртка запасает энергию, которой достаточно, чтобы питать жидкокристаллический дисплей в течение тридцати минут.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Одежда со встроенными электронными устройствами уже давно перестала восприниматься как предмет из фантастических фильмов, хотя серийно выпускаемые устройства все еще редки. Например, Google и Levi’s выпустили умную куртку, которая позволяет управлять смартфоном, прикасаясь к рукаву. В Nokia разработали куртку для спасателей, которая оснащена термометром, пульсометром и GPS-трекером, данные с которых отображаются на встроенном экране и отсылаются на станцию для наблюдения за спасателем в реальном времени.

Однако, у умной одежды есть слабое место — заряжать ее от сети не всегда удобно, а аккумуляторы могут делать ее более тяжелой и неудобной в носке. Поэтому ученые ищут для умных курток и штанов альтернативные способы подзарядки. Для этого можно использовать гибкие солнечные элементы, трибоэлектрические генераторы, которые работают от трения, а также миниатюрные биотопливные ячейки, в которых электричество вырабатывается за счет окисления компонентов человеческого пота и слез.

Американские материаловеды под руководством Джозефа Ванга (Joseph Wang) из Университета Сан Диего разработали умную куртку, в которой электричество генерируется двумя способами одновременно. Ученые хотели сделать куртку, которая работает независимо от внешних условий, и намеренно не стали использовать гибкие солнечные элементы, ведь их эффективность зависит от освещенности и резко падает в плохую погоду или в темное время суток.

Вместо этого они положились на два типа устройств, работа которых целиком определяется активностью человека — трибоэлектрические генераторы и миниатюрные биотопливные ячейки. Кроме того на куртке расположили компактные и легкие суперконденсаторы, которые помогают запасать избыток энергии.

За получение электроэнергии из механической энергии движений человека отвечают два трибоэлектрических генератора. Каждый генератор состоит из двух частей — неподвивжные части из политетрафлюроэтилена (PTFE) располагаются на боках куртки, а подвижные из композита этилцеллюлозы с полиуретаном (EC-PU) — на внутренних частях рукавов куртки.

Когда человек идет или бежит, подвижная и неподвижная части трутся друг о друга, и в PTFE накапливаются отрицательные заряды, а в EC-PU — положительные. Авторы работы собрали трибоэлектрический генератор, который может работать при частоте от 0,833 герца — с такой частотой трутся части генератора во время неспешной ходьбы. Кроме того, обе части генератора протестировали на механическую прочность — их сминали в произвольных направлениях по 100 раз, чтобы убедиться, что эффективность получения электроэнергии не снижается.

Биотопливные ячейки авторы работы разместили на груди куртки, а для сбора пота добавили на кожу в области прилегания ткани гидрогель на основе поливинилацетата. Работа таких элементов основана на окислении лактат-ионов из пота с помощью фермента лактат-оксидазы, который наносят на анод. На катоде при этом происходит восстановление кислорода под действием другого фермента — билирубиноксидазы.

Суперконденсаторы на основе углеродных нанотрубок и полимера PEDOT:PSS также расположили на груди куртки. Все используемые модули были напечатаны с помощью застывающих полимерных чернил на подложке из текстиля, а для их соединения использовали серебрянный проводник в полимерной оболочке. Части умной куртки состоят из нетоксичных соединений, поэтому даже при ее повреждении здоровью человека ничто не угрожает.

a) расположение модулей на куртке; b) накопление электроэнергии при использование трибоэлектрического и биотопливного генераторов по отдельности и вместе; c) схема соединения модулей умной куртки / Yin et al. / Nature Communications, 2021

Согласно задумке авторов, два способа получения электроэнергии дополняют друг друга. Трибоэлектрический генератор работает только в то время, когда человек двигается. Биотопливный элемент включается в работу чуть позже, по мере накопления пота на коже, зато получение электроэнергии продолжается и после того, как человек остановился. Используя два генератора вместе можно добиться непрерывной выработки электроэнергии. В результате за десять минут быстрой ходьбы (с частотой трения 1,5 герца) умная куртка может запасти электроэнергию, которой достаточно для питания жидкокристаллического дисплея в течение 30 минут.

Еще один способ получения электроэнергии в носимых устройствах — термоэлектрические генераторы. Такие генераторы не очень хорошо подходят для одежды — чтобы тепло не терялось, их обычно приклеивают прямо к коже — а еще часто бывают хрупкими, и могут сломаться, когда человек совершает резкие движения.

Китайские ученые сумели решить эту проблему и создали гибкий термоэлектрический генератор с эффектом самовосстановления. Полупроводниковые пластины в таком генераторе расположены на подложке из полиамина, а проводку сделана из жидкого сплава галлия с индием. Устройство можно сгибать и ломать — после возвращения в исходное положение, оно восстанавливает свою проводимость мгновенно, а механическая упругость возвращается к первоначальным значениям еще спустя полтора часа.