ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ ПОДПИТЫВАЮТСЯ ДВИЖЕНИЕМ ЗАПЯСТЬЯ ВЛАДЕЛЬЦА

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ ПОДПИТЫВАЮТСЯ ДВИЖЕНИЕМ ЗАПЯСТЬЯ ВЛАДЕЛЬЦА

Исследователи создали электронные часы с автономным источником питания, который для обеспечения длительной работы устройства конвертирует механическую энергию движения запястья владельца часов в энергию электрическую.

Комбинация двух различных механизмов конверсии энергии (электромагнитный и трибоэлектрический) в одном гибридном наногенераторе позволяет устройству собирать больше энергии, чем другим системам её переработки, использовавшим только один способ конверсии.

Новый наногенератор энергии разработан в группе Я Яна (Ya Yang) из Пекинского Института Наноэнергетики и Наносистем и Технологического Университета Джорджии. Как отмечает Ян, разработанный в его группе наногенератор может использоваться для питания и других носимых электронных устройств, например, беспроводного смарт-шагомера, считывающего количество пройденных шагов, пройденное расстояние и затраченное во время пробежки или прогулки количество калорий.

Рисунок из ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.5b05598

Гибридный наногенератор состоит из небольшой коробочки (3.6 см x 3.6 см x 3 см), внутри которой находится магнитный шарик. При движении запястья движение шарика способствует выработке электроэнергии благодаря как электромагнитным, так и трибоэлектрическим явлениям.

Так, электромагнитный эффект генератора проявляется тогда, когда шарик сталкивается с одной из шести металлических катушек, расположенных в коробке - в этом случае механическая энергия шарика преобразуется в электрическую. Трибоэлектрический эффект проявляется тогда, когда происходит трение двух материалов друг о друга, подобное наблюдается при электризации расчески после причесывания волос. В качестве трибоэлектрического генератора энергии в устройстве используется ремешок часов. Он изготовлен из двух материалов, различающихся по полярности – нейлона и полимерного композита. Оба соединены с дном коробочки-генератора и с двумя электродами. В тот момент, когда перемещающийся магнитный шарик нажимает на ремешок часов, нейлон и полимер контактирует друг с другом, а этот контакт вызывает трибоэлектрические изменения, в результате чего электроны переходят к электродам.

Исследователи экспериментировали с тем, какой тип движений запястья может способствовать более эффективному приведению часов в действие. Оказалось, что лучше всего «подзавести» часы можно, интенсивно тряся запястьем – в этом случае генерируется ток силой до 12 мА, тридцать девять секунд тряски запястья обеспечивает непрерывную работу часов в течение 7,5 минут. Добавление в систему самодельного литий-ионного аккумулятора и последующие эксперименты показали, что тряска запястьем в течение 32 минут обеспечивает работу часов на 3,5 часа. Экстраполяция позволяет предположить, что для беспрерывной работы часов в течение суток необходимо 3,6 часов движения запястьем.

Рабочий прототип слишком большой по размеру, поэтому исследователи попытались уменьшить устройство, заменив магнитный шарик тонкой магнитной полоской. Однако было обнаружено, что магнитная пластинка перемещается на так активно, как шарик, поэтому в будущем планируется изучить другие возможности миниатюризации наногенератора, при этом есть надежда на то, что в устройствах будущего удастся обходиться без аккумулятора. Ян отмечает, что, по его мнению, идеальное носимое электронное устройство – это такое устройство, которое может обходиться без внешних источников питания, при этом он полагает, что энергии, вырабатываемой человеческим телом, достаточно для обеспечения работы таких устройств.

Источник: ACS Nano., 2015, DOI: 10.1021/acsnano.5b05598