De technologie zet menselijke lichaamsbewegingen – van het buigen van een elleboog tot subtiele bewegingen zoals een polsslag op de pols – om in elektriciteit die kan worden gebruikt om draagbare en implanteerbare diagnostische sensoren van stroom te voorzien.
De onderzoekers ontdekten dat het magneto-elastische effect, dat wil zeggen de verandering van hoeveel een materiaal wordt gemagnetiseerd wanneer kleine magneten constant tegen elkaar worden gedrukt en uit elkaar worden getrokken door mechanische druk, kan bestaan in een zacht en flexibel systeem - niet alleen in een stijf systeem.
Om hun concept te bewijzen, gebruikte het team microscopisch kleine magneten verspreid in een flinterdunne siliconenmatrix om een magnetisch veld te genereren dat in sterkte verandert naarmate de matrix golfde. Naarmate de sterkte van het magnetische veld verschuift, wordt elektriciteit opgewekt.
"Onze bevinding opent een nieuwe weg voor praktische energie-, detectie- en therapeutische technologieën die op het menselijk lichaam zijn gericht en kunnen worden verbonden met het internet der dingen", zegt onderzoeksleider Jun Chen."
Chen en zijn team bouwden een kleine, flexibele magneto-elastische generator (ongeveer de grootte van een kwart van de VS) gemaakt van een platina-gekatalyseerde siliconenpolymeermatrix en neodymium-ijzer-borium nanomagneten. Ze bevestigden het vervolgens aan de elleboog van een proefpersoon met een zachte, elastische siliconenband. Het magneto-elastische effect dat ze waarnamen was vier keer groter dan opstellingen van vergelijkbare grootte met stijve metaallegeringen.
Als gevolg hiervan wekte het apparaat elektrische stromen op van 4.27 milliampère per vierkante centimeter, wat 10,000 keer beter is dan de op één na best vergelijkbare technologie.
De flexibele magneto-elastische generator is zelfs zo gevoelig dat hij menselijke pulsgolven kan omzetten in elektrische signalen en kan fungeren als een zelfaangedreven, waterdichte hartslagmeter. De opgewekte elektriciteit kan ook worden gebruikt om andere draagbare apparaten, zoals een zweet, duurzaam van stroom te voorzien sensor of een thermometer.
Er zijn voortdurende inspanningen geweest om draagbare generatoren te maken die energie oogsten van menselijke lichaamsbewegingen om sensoren en andere apparaten van stroom te voorzien, maar het gebrek aan praktische bruikbaarheid heeft een dergelijke vooruitgang belemmerd.
Zo buigen stijve metaallegeringen met magneto-elastisch effect niet voldoende om tegen de huid aan te drukken en genereren ze betekenisvolle krachtniveaus voor levensvatbare toepassingen.
Andere apparaten die afhankelijk zijn van statische elektriciteit hebben de neiging niet genoeg energie op te wekken. Hun prestaties kunnen ook lijden onder vochtige omstandigheden of wanneer er zweet op de huid is.
Sommigen hebben geprobeerd dergelijke apparaten in te kapselen om water buiten te houden, maar dat vermindert hun effectiviteit.
De draagbare magneto-elastische generatoren van het UCLA-team testten echter goed, zelfs nadat ze een week in kunstmatige transpiratie waren gedrenkt.