Onderzoekers hebben een nieuw apparaat ontwikkeld dat energie haalt uit het zweet op – en vooral – je vingertoppen. Tot op heden is het apparaat de meest efficiënte energie-oogstmachine op het lichaam die ooit is uitgevonden, en produceert 300 millijoule (mJ) energie per vierkante centimeter zonder enige mechanische energie-input tijdens een slaap van 10 uur en nog eens 30 mJ aan energie met een enkele druk op de knop. van een vinger. De onderzoekers zeggen dat het apparaat een belangrijke stap voorwaarts betekent voor zelfvoorzienende draagbare elektronica.
Normaal gesproken wilt u een maximaal rendement op uw investering in energie. Je wilt niet veel energie verbruiken door te sporten om maar een beetje energie terug te krijgen”, zegt senior onderzoeker, hoogleraar nano-engineering aan de Universiteit van Californië in San Diego. “Maar hier wilden we een apparaat maken dat is aangepast aan de dagelijkse activiteiten en dat vrijwel geen energie-investering vereist. Je kunt het apparaat volledig vergeten en gaan slapen of bureauwerk doen, zoals typen, en toch energie blijven opwekken. Je kunt het ‘kracht door niets te doen’ noemen.”
Eerdere op zweet gebaseerde energieapparaten vereisten intensieve training, zoals veel hardlopen of fietsen, voordat de gebruiker voldoende zweette om de energieopwekking te activeren. Maar de grote hoeveelheid energie die tijdens het sporten wordt verbruikt, kan de geproduceerde energie gemakkelijk tenietdoen, wat vaak resulteert in een energierendement op de investering van minder dan 1%.
Dit apparaat valt daarentegen in wat de onderzoekers de ‘heilige graal’-categorie van energieoogsters noemen. In plaats van te vertrouwen op externe, onregelmatige bronnen zoals zonlicht of beweging, is er alleen vingercontact nodig om tijdens de slaap meer dan 300 mJ aan energie te verzamelen – wat volgens de auteurs voldoende is om kleine draagbare elektronica van stroom te voorzien. Omdat er geen beweging nodig is, is de verhouding tussen de geoogste energie en de geïnvesteerde energie in wezen oneindig.
Het lijkt misschien vreemd om de vingertoppen als bron van dit zweet te kiezen boven bijvoorbeeld de oksels, maar in feite hebben de vingertoppen de hoogste concentratie zweetklieren vergeleken met waar dan ook op het lichaam.
“Het genereren van meer zweet aan de vingers is waarschijnlijk geëvolueerd om ons te helpen dingen beter vast te houden”, zegt de eerste onderzoeker, gepromoveerd op het gebied van nano-engineering. student aan het werk in Wang's laboratorium. “De zweetsnelheid op de vinger kan oplopen tot enkele microliters per vierkante centimeter per minuut. Dit is aanzienlijk vergeleken met andere plekken op het lichaam, waar de zweetsnelheid misschien twee of drie ordes van grootte kleiner is.”
Het apparaat dat de onderzoekers in dit onderzoek hebben ontwikkeld, is een soort energieoogster die een biobrandstofcel (BFC) wordt genoemd en wordt aangedreven door lactaat, een opgeloste stof in zweet. Van buitenaf lijkt het op een eenvoudig stuk schuim dat is verbonden met een circuit met elektroden, die allemaal aan de vingertop zijn bevestigd. Het schuim is gemaakt van koolstofnanobuismateriaal en het apparaat bevat ook een hydrogel die de zweetabsorptie helpt maximaliseren.
De grootte van het apparaat is ongeveer 1 centimeter in het kwadraat. Het materiaal is ook flexibel, dus je hoeft je geen zorgen te maken dat het te stijf is of raar aanvoelt. Je kunt hem comfortabel voor langere tijd dragen.
Binnen het apparaat vindt een reeks elektrochemische reacties plaats. De cellen zijn uitgerust met een bio-enzym op de anode dat het lactaat oxideert of elektronen verwijdert; op de kathode wordt een kleine hoeveelheid platina afgezet om een reductiereactie te katalyseren waarbij het elektron zuurstof in water omzet. Zodra dit gebeurt, stromen elektronen uit het lactaat door het circuit, waardoor een elektriciteitsstroom ontstaat. Dit proces vindt spontaan plaats: zolang er lactaat aanwezig is, is er geen extra energie nodig om het proces op gang te brengen.
Los van maar complementair aan de BFC zijn er ook piëzo-elektrische generatoren – die mechanische energie omzetten in elektriciteit – aan het apparaat gekoppeld om tot 20% extra energie te oogsten. Door te vertrouwen op de natuurlijke knijpbewegingen van vingers of alledaagse bewegingen zoals typen, hielpen deze generatoren extra te produceren energie-niveau van nauwelijks enig werk: een enkele vingerdruk per uur vereiste slechts 0.5 mJ energie, maar produceerde meer dan 30 mJ energie, een investeringsrendement van 6,000%.
De onderzoekers konden het apparaat gebruiken om effectieve vitamine C- en natriumdetectiesystemen van stroom te voorzien, en ze zijn optimistisch over het verbeteren van het apparaat om in de toekomst nog grotere mogelijkheden te hebben, waardoor het geschikt zou kunnen worden voor gezondheids- en welzijnstoepassingen zoals glucose. meter voor mensen met diabetes. Ze willen dit apparaat nauwer geïntegreerd maken in draagbare vormen, zoals handschoenen. We onderzoeken ook de mogelijkheid om een draadloze verbinding met mobiele apparaten mogelijk te maken voor uitgebreide continue detectie.
