گروهی از مهندسان در کره جنوبی به تازگی موفق به طراحی دستگاهی با ساختاری سه بعدی نوآورانه شده اند که توانایی تولید برق از حرکات بدن را به میزان ۲۸۰ برابر افزایش می دهد.
پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری دائگو جیونگبوک (DGIST) واقع در کره جنوبی، یک سیستم جمع آوری انرژی با کارآیی بسیار بالا ایجاد کرده اند که حرکات بدن را به انرژی الکتریکی تبدیل می سازد.
این دستگاه جدید به نسبت برداشت کننده های معمولی پیزوالکتریک، ۲۸۰ برابر کارایی بالاتری در تبدیل انرژی دارد.
این فناوری به بهره برداری از اثر پیزوالکتریک می پردازد؛ پدیده ای که طی آن، مواد خاص در اثر فشار مکانیکی به تولید بار الکتریکی می پردازند. به این معنی که فعالیت هایی مانند پیاده روی، خم شدن یا حتی حرکات ریز بدن می توانند برای تولید انرژی الکتریکی به کار گرفته شوند.
مواد پیزوالکتریک به طور طبیعی دارای عدم تقارن در توزیع بار خود هستند و تحت فشار مکانیکی همچون خم شدن یا کشش، این عدم تقارن تقویت می شود، که منجر به جدایی بارها و تولید پتانسیل الکتریکی در سراسر ماده می گردد.
این فرآیند تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی اساس برداشت انرژی پیزوالکتریک را شکل می دهد.
چالش های موجود
هرچند که مفهوم برداشت انرژی پیزوالکتریک تازگی ندارد، اما استفاده از آن در دستگاه های پوشیدنی به دلیل محدودیت های موجود در خواص مواد و طراحی های فنی به چالش هایی برخورد کرده است.
پروفسور جانگ کیونگاین (Jang KyungIn)، سرپرست این پژوهش، اظهار داشت: در مراحل ابتدایی تحقیقات، دستگاه های پیزوالکتریک غیرآلی که قابلیت برداشت موثر انرژی از ارتعاشات با فرکانس بالا را فراهم می آوردند، به صورت گسترده ای مورد بررسی قرار گرفتند. با این حال، طرح های متداول در استفاده از اشکال انعطاف پذیر و قابل کشش با محدودیت هایی روبرو شدند.
بسیاری از مواد دارای پاسخ های پیزوالکتریک قوی، همچون سرب زیرکونات تیتانات (PZT)، به صورت ذاتی سخت و شکننده هستند. این ویژگی آنان را برای ادغام در دستگاه های پوشیدنی انعطاف پذیر و راحت نامناسب می سازد.
رفع چالش ها در طراحی مواد
تیم تحقیقاتی کره ای با استفاده از مهندسی مواد ابتکاری، این مانع را پشت سر گذاشته است.
آنها یک ساختار سه بعدی منحصر به فرد را توسعه داده اند که امکان استفاده از PZT را فراهم می آورد و در عین حال سطح بالایی از انعطاف پذیری و کشش را حفظ می کند.
در این مطالعه ذکر شده است: ساختارهای سه بعدی قابل خم به طور گسترده برای ایجاد کشش در دستگاه ها به کار رفته اند. این ویژگی اطمینان حاصل می کند که دستگاه می تواند به صورت راحت و بدون مزاحمت به بدن انسان متناسب شود.
علاوه بر این، پژوهشگران یک طراحی جدید برای الکترود ارائه کردند که به آن «الکترود جفت مخصوص انحنا» می گویند. این طراحی با جلوگیری از لغو بارهای الکتریکی تولید شده در طی حرکت، کارایی جذب انرژی را به طرز چشمگیری افزایش می دهد. این امر علاوه بر این، تأثیر قابل توجهی بر کارایی کلی دستگاه خواهد داشت.
محققان تأکید کردند که این طراحی به دور زدن لغو معمولی خروجی الکتریکی در سیستم های متداول کمک کرده و تضمین می کند که هر بخش از نانو ژنراتور به طور مؤثر به تولید کل انرژی کمک می کند.
مفاهیم و چشم اندازهای آینده
<pاین برداشت کننده انرژی با کارایی بالا، پیشرفت های قابل توجهی را برای وسایل الکترونیکی پوشیدنی خودکار فراهم می آورد.
چنین تجهیزات می توانند به طور بالقوه از شارژ مکرر باتری یا تعویض آن در دامنه وسیعی از کاربردها، از جمله ساعت های هوشمند، ردیاب های تناسب اندام و حسگرهای پزشکی، جلوگیری کنند.
این تحقیق گامی مهم به سوی پیشرفت در فناوری های پوشیدنی است. رویکرد نوآورانه تیم در طراحی مواد و پیکربندی الکترود، دستگاهی را ایجاد کرده که توانایی تغییر در نحوه تأمین انرژی دستگاه های پوشیدنی را دارد.
تحقیقات و توسعه های آتی بر بهینه سازی این فناوری در راستای کاربردهای تجاری و کاوش در پتانسیل کامل آن در دستگاه های الکترونیکی پوشیدنی مختلف متمرکز خواهند بود.