Подушка с трибоэлектрическим генератором проследила за сном

Китайские ученые разработали подушку, следящую за сном при помощи трибоэлектрических генераторов, конвертирующих движения головы на подушке в электрический ток. Статья опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.

Для исследования сна можно использовать носимые гаджеты или устройства, которые закрепляются на кровати. В первом случае их нужно периодически заряжать, а во втором — подключать к сети. В то же время существуют разные способы создания автономных устройств, самостоятельно вырабатывающих себе электричество.

Ученые под руководством Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) из Пекинского института наноэнергетики и наносистем создали прототип подушки для отслеживания сна, самостоятельно вырабатывающей энергию. Вместо акселерометра, который обычно применяется для этой цели, они решили использовать трибоэлектрический генератор. Такие генераторы состоят из двух материалов и при их трении создают электрический ток из-за трибоэлектрического эффекта.

Созданный учеными генератор состоит из алюминиевой подложки, которая выступает в качестве электрода. Сверху на нем располагается слой пористого и эластичного полидиметилсилоксана (ПДМС) с добавлением фторированного этилен-пропилена. Для его создания ученые на этапе заливки полимера добавляли в него частицы моногидрата лимонной кислоты, а после затвердевания растворяли частицы этиловым спиртом, в результате чего оставалась пористая полимерная матрица.

При контакте и трении кожи с ПДМС-слоем кожа выступает в качестве второго электрода генератора. Электроны переносятся с кожи на ПДМС, в результате чего на коже скапливается положительный заряд, а не ПДМС — отрицательный. После того как второй электрод (кожа) удаляется, на алюминиевом электроде формируется положительный заряд, компенсирующий избыток отрицательных зарядов на ПДМС-слое. Из-за этого электроны перемещаются от заземления к алюминиевому электроду, таким образом формируется ток, который можно использовать. Когда голова вновь опускается на генератор, происходит обратный процесс.

Авторы создали прототип генератора квадратной формы шириной в два сантиметра, и показали, что нажатие на него с силой в 20 ньютонов позволяет включать одновременно 14 светодиодов. Затем они объединили множество таких генераторов в матрицу 5 на 12 единиц, закрепили ее на подушке и создали таким образом устройство для мониторинга сна. Компьютер может определять положение головы и ее движения, регистрируя сигналы с массива электродов. Таким образом можно следить за сном человека, а также создать систему оповещения, предупреждающую о том, что человек повернулся слишком близко к краю кровати и может упасть.

Следить за сном можно не только с помощью акселерометра и трибоэлектрического генератора, но и при помощи радиоволн. И если несколько лет назад это было реализовано лишь в виде исследовательских прототипов, то сегодня существуют коммерчески доступные гаджеты с такой функцией.

Григорий Копиев