Ученые создают гаджеты, которые подпитываются от людей

Электроника развивается с небывалой скоростью: наши устройства становятся меньше, тоньше и функциональнее. Однако так продолжаться не может, если не устранить одно большое препятствие - аккумулятор. TengriMIX уже рассказывал вам о том, как в США создали пробную версию телефона, которому не нужна зарядка. Он работает только на расстояние 15 метров от базовой станции, подключающей его к цифровой сети посредством Skype. Между тем, ученые также активно занимаются разработками, которые будут подпитываться человеком.

Возможности устройства во многом определяются его источником питания и попытки одновременно увеличить автономность и нарастить вычислительную мощь уже приводят к опасным последствиям - вспомнить хотя бы взрывы смартфонов. По словам профессора электроинженерии из Университета Южной Калифорнии Дины Эль-Дамак, батарея - узкое место любой электронной системы. Поэтому создать устройства, которые будут получать энергию самостоятельно за счет движения или пользуясь теплом человеческого тела, не требуя емкой встроенной батареи - важнейшая задача.

Для большинства людей разработка подобных технологий будет означать, что нам больше никогда не придется заряжать смартфон или фитнес-браслет. Но для исследователей приоритетным является решение проблем с питанием медицинских устройств, особенно вживляемых, таких как кардиостимуляторы. "Если устройство полагается на батарею, для ее замены нужна операция, так что обеспечение полностью автономной работы было бы большим преимуществом и по-настоящему изменило бы жизни людей", - сказала Эль-Дамак.

Эта технология помогла бы и внедрению мозговых имплантов, например, тех, что разрабатывает компания Neuralink, созданная Илоном Маском. Предполагается, что крошечный чип размером с микрон (0,001 миллиметра) будет вживляться в мозг, позволяя людям "общаться" с компьютером напрямую, с помощью электрических импульсов, минуя традиционные интерфейсы. При помощи этой технологии можно будет расширить умственные способности человека, а также лечить инсульт, паралич и даже потерю памяти в пожилом возрасте. Большинство из доступных сегодня мозговых имплантов работают не более пяти лет, и чтобы увеличить этот срок, нужно найти способ обеспечить энергией вживленные чипы без подзарядки.

Теоретически способов заставить устройства работать без батарей много. Один из вариантов - пьезоэлектрический эффект, когда энергия выделяется в определенных материалах при деформации под механическим воздействием. Другой - использование энергии движения. Но устройство, которое будет работать только когда человек двигается, не очень практично. С другой стороны, станет больше стимула для жизни в движении. Лучшим же источником энергии для гаджетов большинство исследователей считают тепло тела. Температура человека почти всегда отличается от температуры окружающей среды, и таким образом получается электрическая цепь, элементы которой имеют различную температуру. Так возникает термоэлектрический эффект. Устройство, вырабатывающее ток именно таким образом, в прошлом году создала команда исследователей университета Северной Каролины под руководством Дариуша Вашаи. Выглядит оно как металлическая пластинка, которую можно встроить в одежду или браслет. В отличии от ранее разработанных приборов такого рода, сей гаджет выдает в двадцать раз больше энергии на квадратный сантиметр площади. Ученые даже определили, где именно на теле следует размещать такие преобразователи для максимальной эффективности - на руке между локтевым и плечевым суставами.

© NC State University

Тепло, а значит энергия, выделяется само по себе. В этом очевидное преимущество такого гаджета. По словам Вашаи, проблема в том, что генерируемый ток очень слабый, и чем меньше разница в температуре между телом и окружающей средой, тем более эффективной должна быть система. Конечно, можно увеличивать площадь теплосборника, но желающих носить на себе массивное устройство найдется не много.

Также ученые пытаются создать девайсы, затрачивающие для работы совсем мало электричества. Здесь одна из проблем - "утечка" энергии из батарей. То есть если долгое время не использовать аккумулятор, он все равно будет постепенно терять заряд.

Безбатарейные электронные устройства для применения в медицине, требующие мало энергии, сейчас разрабатывает исследовательское объединение "Центр ASSIST" (аббревиатура от Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies - продвинутые системы интегрированных датчиков и технологий с автономным питанием), которое базируется в Университете Северной Каролины. Виина Мишра, директор центра, рассказала, что прототип гаджета для отслеживания основных параметров жизнедеятельности уже создан.

Устройство в виде браслета получает энергию от тепла тела через размещаемый на груди теплообменник и может отслеживать влажность, температуру и даже наличие в воздухе органических соединений. Нагрудный модуль также мониторит сердцебиение, двигательную активность и частоту дыхания.

© NC State University

Каждый наверняка знает о статистическом электричестве, то есть получении энергии путем трения. В науке это называется трибоэлектрическим эффектом. Группа ученых совместила питание от движения и трения в своем растягиваемом надеваемом устройстве. Легкий хлопок ладонью, на которую нанесен полимер с подключенными электродами, генерирует достаточно электричества, чтобы на время засветились небольшие светодиоды.

Трибоэлектрический эффект универсален: он присущ любым парам материалов, но сильнее всего выражен у некоторых полимеров. "Выбор материалов огромен: бумага, шелк, волокна, дерево, металл, органические материалы", - рассказала соавтор исследования Жон Лин Ван, возглавляющий исследовательскую группу по нанотехнологиям в Технологическом институте Джорджии. Кроме того, по сравнению с термоэлектрическим эффектом, энергии получается больше.

© Xiong Pu

Одной из ключевых инноваций в данном случае является гибкость. По словам Ван, когда материал гибкий, человеческую кожу можно симулировать для машинных интерфейсов. Разработанное надеваемое устройство подходит для нательных датчиков, но также для чего угодно, содержащего тканый материал. Например, можно создать систему безопасности, "вшитую" в шторы или ковер.

Команды Жон Лин Вана и Виины Мишры сотрудничают с компаниями, которые надеются вывести созданные на основе их разработок решения на рынок. Ван считает, что до коммерциализации их устройства осталось около трех лет. Но уже в сентябре в продаже должны появиться часы Matrix Watch, использующие для питания тепло тела.

© Matrix Industries

Поэтому будущее с устройствами, которые не надо постоянно подключать к розетке, гораздо ближе, чем мы думаем.

По материалам: The Verge

Подготовила: Нурлыайым Нурсаин