Das Technologie wandelt menschliche Körperbewegungen – vom Beugen eines Ellbogens bis hin zu subtilen Bewegungen wie dem Pulsieren am Handgelenk – in Elektrizität um, die zur Stromversorgung tragbarer und implantierbarer Diagnosesensoren verwendet werden könnte.
Die Forscher fanden heraus, dass der magnetoelastische Effekt, also die Veränderung, wie stark ein Material magnetisiert wird, wenn winzige Magnete ständig zusammengedrückt und durch mechanischen Druck auseinander gezogen werden, in einem weichen und flexiblen System existieren kann – nicht nur in einem starren.
Um ihr Konzept zu beweisen, verwendete das Team mikroskopische Magnete, die in einer hauchdünnen Silikonmatrix verteilt waren, um ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Stärke sich ändert, wenn die Matrix wellenförmig ist. Wenn sich die Stärke des Magnetfelds ändert, wird Strom erzeugt.
„Unsere Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg für praktische Energie-, Sensor- und Therapietechnologien, die auf den menschlichen Körper ausgerichtet sind und mit dem Internet der Dinge verbunden werden können“, sagt Studienleiter Jun Chen.“
Chen und sein Team bauten einen kleinen, flexiblen magnetoelastischen Generator (ungefähr so groß wie ein US-Viertel) aus einer platinkatalysierten Silikonpolymermatrix und Neodym-Eisen-Bor-Nanomagneten. Dann befestigten sie es mit einem weichen, dehnbaren Silikonband am Ellbogen einer Person. Der beobachtete magnetoelastische Effekt war viermal größer als bei ähnlich großen Aufbauten mit starren Metalllegierungen.
Als Ergebnis erzeugte das Gerät elektrische Ströme von 4.27 Milliampere pro Quadratzentimeter, was 10,000 Mal besser ist als die nächstbeste vergleichbare Technologie.
Tatsächlich ist der flexible magnetoelastische Generator so empfindlich, dass er menschliche Pulswellen in elektrische Signale umwandeln und als batteriebetriebener, wasserdichter Herzfrequenzmesser fungieren kann. Der erzeugte Strom kann auch verwendet werden, um andere tragbare Geräte, wie z Sensor oder ein Thermometer.
Es gab anhaltende Bemühungen, tragbare Generatoren herzustellen, die Energie aus menschlichen Körperbewegungen gewinnen, um Sensoren und andere Geräte mit Strom zu versorgen, aber der Mangel an Praktikabilität hat diesen Fortschritt behindert.
Zum Beispiel biegen sich starre Metalllegierungen mit magnetoelastischem Effekt nicht ausreichend, um sich gegen die Haut zu komprimieren und für brauchbare Anwendungen ein sinnvolles Leistungsniveau zu erzeugen.
Andere Geräte, die auf statische Elektrizität angewiesen sind, erzeugen in der Regel nicht genug Energie. Ihre Leistungsfähigkeit kann auch unter feuchten Bedingungen oder bei Schweiß auf der Haut leiden.
Einige haben versucht, solche Geräte zu kapseln, um Wasser fernzuhalten, aber das verringert ihre Wirksamkeit.
Die tragbaren magnetoelastischen Generatoren des UCLA-Teams haben sich jedoch auch nach einer Woche Einweichen in künstlichem Schweiß gut bewährt.