Умная куртка получит электроэнергию от трения и пота

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 — неподвидвжные 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.

 
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. 

Наталия Самойлова