"Обычно вы хотите получить максимальную отдачу от инвестиций в энергетику. Вы не хотите тратить много энергии на упражнения, чтобы вернуть лишь немного энергии ", – говорит старший автор Джозеф Ван, профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Но здесь мы хотели создать устройство, адаптированное к повседневной деятельности, которое почти не требует затрат энергии – вы можете полностью забыть об устройстве и пойти спать или выполнять настольную работу, например печатать, но при этом продолжать генерировать энергию.
Вы можете назвать это силой ничего не делать.’"
Предыдущие энергетические устройства на основе пота требовали интенсивных упражнений, таких как много бега или езды на велосипеде, прежде чем пользователь вспотел настолько, чтобы активировать выработку энергии.
Но большое количество энергии, потребляемой во время тренировки, может легко нейтрализовать производимую энергию, что часто приводит к возврату энергии на инвестиции менее 1%.
Напротив, это устройство относится к тому, что авторы называют «святым Граалем», – комбайнами для сбора энергии.
Вместо того, чтобы полагаться на внешние, нерегулярные источники, такие как солнечный свет или движение, все, что ему нужно, – это контакт пальцем, чтобы собрать более 300 мДж энергии во время сна – чего, по словам авторов, достаточно для питания небольшой носимой электроники. Поскольку движение не требуется, соотношение между собранной и вложенной энергией по существу бесконечно.
Может показаться странным выбирать кончики пальцев в качестве источника этого потоотделения, скажем, под подмышками, но на самом деле кончики пальцев имеют самую высокую концентрацию потовых желез по сравнению с другими частями тела.
«Выделение большего количества пота на пальцах, вероятно, эволюционировало, чтобы помочь нам лучше удерживать предметы», – говорит первый соавтор Лу Инь, аспирант по наноинженерии, работающий в лаборатории Вана. "Скорость потоотделения на пальце может достигать нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту. Это существенно по сравнению с другими участками тела, где уровень потоотделения может быть на два или три порядка меньше."
Устройство, разработанное исследователями в этом исследовании, представляет собой тип сборщика энергии, называемого биотопливным элементом (BFC), и работает за счет лактата, соединения, растворенного в поте. Снаружи это выглядит как простой кусок пенопласта, подключенный к цепи с электродами, каждый из которых прикреплен к подушечке пальца.
Пена изготовлена из материала углеродных нанотрубок, а устройство также содержит гидрогель, который помогает максимально впитывать пот.
«Размер устройства составляет около 1 сантиметра в квадрате. Его материал также гибкий, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, что он будет слишком жестким или странным.
Вы можете с комфортом носить его в течение длительного периода времени », – говорит Инь.
Внутри устройства происходит серия электрохимических реакций.
Ячейки снабжены биоферментом на аноде, который окисляет или удаляет электроны из лактата; на катоде нанесено небольшое количество платины, чтобы катализировать реакцию восстановления, при которой электрон превращает кислород в воду. Как только это происходит, электроны текут из лактата по цепи, создавая электрический ток. Этот процесс происходит спонтанно: пока есть лактат, дополнительная энергия не требуется, чтобы запустить процесс.
Отдельно от BFC, но в дополнение к нему, к устройству присоединены пьезоэлектрические генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электричество, чтобы собирать до 20% дополнительной энергии.
Полагаясь на естественное сжимающее движение пальцев или повседневные движения, такие как набор текста, эти генераторы помогали производить дополнительную энергию практически от любой работы: для одного нажатия пальца один раз в час требовалось всего 0.5 мДж энергии, но произведено более 30 мДж энергии, возврат инвестиций 6000%.
Исследователи смогли использовать устройство для питания эффективных систем определения витамина C и натрия, и они с оптимизмом смотрят на улучшение устройства, чтобы в будущем у него были еще большие возможности, которые могли бы сделать его пригодным для приложений для здоровья и хорошего самочувствия, таких как глюкоза. метры для людей с диабетом. "Мы хотим сделать это устройство более интегрированным в носимые формы, такие как перчатки. «Мы также изучаем возможность включения беспроводного подключения к мобильным устройствам для расширенного непрерывного зондирования», – говорит Инь.
«Есть много захватывающего потенциала», – говорит Ван. "У нас есть десять пальцев, с которыми можно поиграть."