Sensory przekształcające ruch człowieka w energię elektryczną
Naukowcy z Uniwersytetu Tohoku w Japonii stworzyli przełomowe sensory, które – łącząc kompozyty piezoelektryczne z jednokierunkowym włóknem węglowym (UDCF) – przekształcają ruch ludzki w energię elektryczną, tym samym tworząc wytrzymałe i samozasilające się urządzenia.
Badanie, opublikowane w czasopiśmie „Small”, prezentuje projekt strukturalny i zastosowanie elastycznych nanokompozytów piezoelektrycznych wzmocnionych UDCF. Fumio Narita, współautor badania i profesor na Uniwersytecie Tohoku, podkreśla, że integracja tych urządzeń w osobistym sprzęcie wymaga innowacyjnych rozwiązań w zarządzaniu energią i projektowaniu materiałów, aby zapewnić trwałość i elastyczność.
Włókno węglowe, ze względu na swoją trwałość i lekkość, znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, sprzęcie sportowym i medycznym. Połączenie włókna węglowego z kompozytem piezoelektrycznym może oferować komfort, większą trwałość i możliwości sensoryczne, szczególnie w sprzęcie ochronnym i monitorującym.
Urządzenie UDCF/KNN-EP, wyprodukowane z jednokierunkowej tkaniny z włókna węglowego i nanocząstek niobianu sodu potasu (KNN) zmieszanych z żywicą epoksydową (EP), stanowi innowacyjne połączenie materiałów. UDCF służyło zarówno jako elektroda, jak i wzmocnienie kierunkowe. Testy wykazały, że urządzenie może utrzymywać wysoką wydajność nawet po ponad tysiącu rozciągnięć, co świadczy o jego wyjątkowej wytrzymałości i trwałości.
UDCF/KNN-EP wykazało, że może wytrzymać znacznie większe obciążenie, gdy jest rozciągane wzdłuż kierunku włókien, w porównaniu z innymi elastycznymi materiałami. Ponadto, podczas wpływu i rozciągania prostopadłego do kierunku włókien, przewyższa inne polimery piezoelektryczne pod względem gęstości wyjściowej energii, co ma kluczowe znaczenie dla wydajności energetycznej.
Badanie wykorzystało symulacje wielkoskalowe, przeprowadzone we współpracy z grupą profesora Uetsujiego z Osaka Institute of Technology. Symulacje te pozwoliły przeanalizować mechaniczne i piezoelektryczne odpowiedzi UDCF/KNN-EP, co jest istotne w kontekście optymalizacji ich wydajności i zastosowań praktycznych.
UDCF/KNN-EP ma potencjał do napędzania rozwoju elastycznych, samozasilających się sensorów IoT, co może prowadzić do tworzenia zaawansowanych wielofunkcyjnych urządzeń IoT. Urządzenie zostało z powodzeniem zastosowane w sprzęcie sportowym, gdzie efektywnie wykrywało wpływ łapania piłki baseballowej i częstotliwość kroków użytkownika, co pokazuje, że sensory mają praktyczną przydatność.
Odkrycie UDCF/KNN-EP stanowi ważny krok w kierunku zrównoważonego i niezawodnego rozwoju sensorów ruchu. Łączy ono trwałość i kierunkową elastyczność włókien węglowych z wydajnością energetyczną kompozytów piezoelektrycznych, otwierając nowe możliwości w dziedzinie detekcji ruchu. Ten postęp oferuje cenne wskazówki dla przyszłych badań i rozwoju technologii sensorowych, podkreślając potencjał tych materiałów w praktycznych zastosowaniach.
Szymon Ślubowski
