Φανταστείτε έναν κόσμο όπου τα wearables και οι ιατρικοί αισθητήρες δεν θα χρειάζονται ποτέ πρίζα. Ένας νέος συνδυασμός υλικών θα μπορούσε σύντομα να κάνει αυτό το όνειρο πραγματικότητα, μετατρέποντας ακόμη και τις πιο μικρές κινήσεις του σώματός σας απευθείας σε ενέργεια.
Μια ομάδα ερευνητών στο βρετανικό University of Surrey πέτυχε ένα σημαντικό βήμα στον τομέα της λεγόμενης συγκομιδής ενέργειας (Energy Harvesting).
Όπως εξηγούν οι επιστήμονες στο περιοδικό Advanced Materials, ανέπτυξαν έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα που λειτουργεί εντελώς χωρίς συμβατικές μπαταρίες ή εξωτερικές πηγές τροφοδοσίας.
Το σύστημα βασίζεται σε ένα εύκαμπτο ύφασμα νανοϊνών που αξιοποιεί το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο.
Πως λειτουργεί η τεχνολογία
Η βασική αρχή δεν είναι εντελώς νέα, καθώς οι τριβοηλεκτρικοί νανογεννήτριες (TENG) αποτελούν αντικείμενο έρευνας εδώ και χρόνια. Παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω της επαφής και του διαχωρισμού διαφορετικών υλικών, παρόμοια με τον στατικό ηλεκτρισμό που δημιουργείται όταν τρίβουμε ένα μπαλόνι στα μαλλιά.
Όμως, η πρόκληση μέχρι τώρα ήταν συχνά η χαμηλή απόδοση ενέργειας και η έλλειψη ευαισθησίας σε πολύ λεπτές κινήσεις.
Εδώ έρχεται η καινοτομία από το Guildford της Βρετανίας, η οποία βασίζεται στο Βοροφένιο (Borophene). Αυτό το δισδιάστατο υλικό, το οποίο αποτελείται ουσιαστικά από ένα μόνο στρώμα ατόμων βορίου, ενσωματώθηκε σε ένα πολυμερές που ονομάζεται PVDF-HFP.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό με εξαιρετικά υψηλή διηλεκτρική σταθερά, γεγονός που αυξάνει μαζικά την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας και διαχωρισμού φορτίου.
Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Sajib Roy, εξηγεί τη σημασία αυτού του συνδυασμού:
«Το σημαντικότερο επίτευγμα της εργασίας μας είναι ότι ο αισθητήρας αντιδρά εξαιρετικά ευαίσθητα σε πολύ μικρές κινήσεις και ταυτόχρονα αυτοτροφοδοτείται. Η συσκευή μπορεί να ανιχνεύσει ανεπαίσθητες ανθρώπινες κινήσεις και να παράγει αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσει ηλεκτρονικά συστήματα χαμηλής κατανάλωσης».
Υψηλή Τάση από τις πιο Ανεπαίσθητες Κινήσεις
Σε εργαστηριακές δοκιμές, το σύστημα πέτυχε αξιοσημείωτες τιμές που υπογραμμίζουν τις δυνατότητες της τεχνολογίας:
- Οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν τάση ανοικτού κυκλώματος έως και 510 Volt.
- Σημείωση: Η ένταση του ρεύματος παραμένει πολύ χαμηλή (στην κλίμακα των μικροαμπέρ).
- Παρ’ όλα αυτά, η ενέργεια ήταν αρκετή για να τροφοδοτήσει μια συστοιχία 16 αισθητήρων, ειδικά σχεδιασμένη για την παρακολούθηση των μοτίβων ύπνου.
Εφαρμογές στην Υγεία και την Καθημερινότητα
Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να προσφέρει πραγματική αξία, ειδικά στη φροντίδα ασθενών με άνοια ή στην παρακολούθηση διαταραχών ύπνου.
- Χωρίς Συντήρηση: Δεν χρειάζεται αλλαγή μπαταριών.
- Άνεση: Δεν υπάρχουν ενοχλητικά καλώδια.
- Ευκολία: Η τεχνολογία μπορεί να ενσωματωθεί διακριτικά σε υφάσματα ή στρώματα.
Οι αισθητήρες δεν καταγράφουν μόνο αν ένα άτομο βρίσκεται στο κρεβάτι, αλλά αναγνωρίζουν και την κατάσταση του ύπνου με βάση τις αναπνευστικές κινήσεις και τις ελάχιστες αλλαγές θέσης.
Επιπλέον, το βοροφένιο που χρησιμοποιείται προσφέρει φυσικές ιδιότητες απαραίτητες για χρήση κοντά στο ανθρώπινο σώμα. Λόγω της νανοδομής του, η επιφάνεια γίνεται υπερ-υδρόφοβη (superhydrophobic), δηλαδή απωθεί έντονα το νερό.
Αυτό αναμένεται να βελτιώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής των αισθητήρων, ακόμη και υπό την επίδραση ιδρώτα ή υψηλής υγρασίας.
Η τεχνική υλοποίηση του υλικού έγινε μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ηλεκτρονιοποίηση (electrospinning), κατά την οποία τα πλαστικά μετατρέπονται σε εξαιρετικά λεπτές ίνες υπό υψηλή τάση.
Αυτή η διαδικασία θεωρείται κλιμακώσιμη (scalable), γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα για τη μελλοντική βιομηχανική παραγωγή.
Ο Ravi Silva, επικεφαλής του Advanced Technology Institute στο Πανεπιστήμιο του Surrey, βλέπει σε αυτό έναν άμεσο δρόμο για τη μεταφορά των προόδων της επιστήμης των υλικών σε πρακτικές τεχνολογίες υγείας.
Περιορισμοί και προοπτικές
Παρά τον τεχνολογικό ενθουσιασμό, αξίζει να εξετάσουμε και τα όρια του συστήματος. Οι επιστήμονες απέδειξαν ότι το σύστημα μπορεί να φορτίσει πυκνωτές για μικρό χρονικό διάστημα, ώστε να λειτουργήσει π.χ. ένα χρονόμετρο ή μια αριθμομηχανή για λίγα δευτερόλεπτα.
Εν τούτοις, η απόδοση ενός τέτοιου νανογεννήτριας δεν επαρκεί ακόμη για τη λειτουργία πιο ενεργοβόρων συσκευών, όπως smartphones ή smartwatches.
Παρ’ όλα αυτά, το βήμα από τη βασική έρευνα σε ένα λειτουργικό πρωτότυπο για συγκεκριμένες ιατρικές εφαρμογές είναι αξιοσημείωτο.
Η εταιρεία (spin-out) Z-Pulse, που προέκυψε από το πανεπιστήμιο, εργάζεται τώρα για να προωθήσει την τεχνολογία στην αγορά.
Ωστόσο, θα περάσουν πιθανώς μερικά χρόνια μέχρι να βρούμε αυτούς τους αισθητήρες στα στρώματα ή στα αθλητικά μας ρούχα.
Συμπέρασμα
Η εξέλιξη αυτή δείχνει ότι η απομάκρυνση από την κλασική μπαταρία είναι εφικτή για εφαρμογές χαμηλής ισχύος.
Όταν οι αισθητήρες αντλούν την ενέργεια τους απευθείας από το περιβάλλον – σε αυτή την περίπτωση από την ίδια μας την κίνηση – εξαλείφεται το κόστος συντήρησης και η περιβαλλοντική επιβάρυνση από τις μπαταρίες.
Μπορεί να μην πρόκειται (ακόμη) για αεικίνητο, αλλά σίγουρα αποτελεί μια λογική και αναγκαία εξέλιξη για το Internet of Things (IoT).
