I en ny studie designar Chung-Ang University-forskare en triboelektrisk nanogenerator (TENG)-baserad sensor med hög effekt och hög effekt som kan drivas genom andning. Forskarna integrerade den här enheten i en gasmask för att skapa en självdriven hybridsensor som upptäcker andningsmönster och skadliga kemikalier. Kredit:Prof. Sangmin Lee från Chung-Ang University, Korea
Med början av Internet of Things (IoT)-eran har enheter lärt sig att kommunicera och utbyta data. Detta uppnås genom sensorer installerade i fysiska föremål, maskiner och utrustning. Sensorerna kan upptäcka förändringar i händelser. Behovet av kontinuerlig energiförsörjning till dessa sensorer utgör dock en utmaning. Batterier är skrymmande, dyra och inte miljövänliga. Dessutom måste de ständigt bytas ut eller laddas.
Följaktligen finns det en efterfrågan på hållbara och förnybara energikällor för att ersätta batterier. Den triboelektriska nanogeneratorn (TENG) är en sådan enhet. Enkelt uttryckt omvandlar TENG mekanisk energi till elektrisk energi. Deras höga energieffektivitet, kompatibilitet med lättillgängliga material och låga kostnader gör dem till en lovande kandidat för att driva sensorer.
Trots sådana fördelar begränsas emellertid nuvarande TENG av en låg utström. Men att öka utströmmen skulle kräva större utrustning, vilket gör den omöjlig att användas i små enheter. Finns det något sätt att kringgå denna avvägning?
En forskargrupp ledd av docent Sangmin Lee från Chung-Ang University i Korea har nu tagit itu med denna fråga. "Vårt labb är intresserad av TENG-design med hög effekt och TENG-baserade självförsörjande sensorer. Vi försökte ta itu med begränsningen av nuvarande TENG så att de kunde användas för att realisera bärbara strömkällor i praktiken", säger Dr. Lee, som förklarar hans motiv bakom studien, som publicerades i Advanced Energy Materials . Studien kommer att finnas på framsidan av det kommande numret.
Teamet utvecklade en ny enhet i sin studie som heter "inhalationsdriven vertikal fladder TENG" (IVF-TENG) som uppvisar en förstärkt strömutgång. "Andning fungerar som en kontinuerlig mekanisk ingång och kan användas för att driva TENGs. Film-fladder TENGs är sådana andningsdrivna enheter som kan generera en kontinuerlig elektrisk uteffekt från en extremt liten andningsinput genom att utnyttja fladderfenomenet som uppstår från luftflödesinducerade vibrationer ," förklarar Dr. Lee.
IVF-TENG består av en inloppselektrod av aluminium (Al), ett aeroelastiskt dielektriskt ark (polyimid) och en utloppselektrod av Al. Det aeroelastiska arket har fyra segment med fyra slitsar och utsätts för vertikalt fladderbeteende orsakat av luftflöde. Detta gör att den föreslagna IVF-TENG skiljer sig från befintliga TENG.
Teamet undersökte de elektriska och mekaniska mekanismerna för IVF-TENG. De fann att IVF-TENG genererade en kontinuerlig, högfrekvent elektrisk spänning (17 V) och en sluten kretsström på 1,84 μA under inandning, och en elektrostatisk urladdningsspänning på 456 V och en sluten kretsutgångsström på 288 mA vid början och slutet av varje inandningscykel.
De visade vidare att IVF-TENG kontinuerligt kan driva 130 lysdioder i serie och 140 lysdioder parallellt vid varje inandning. Dessutom kan den ladda en 660 𝜇F kondensator för att i sin tur driva en Bluetooth-spårare och ge dess signal till en smartphone. Dessa egenskaper visade potentialen för IVF-TENGs tillämpning inom bärbar elektronik och trådlös dataöverföring.
Dessutom integrerade forskarna IVF-TENG i en gasmask och visade sin förmåga att övervaka användarens andningsmönster genom att observera utsignalens vågform. Dessutom kunde den upptäcka kemiska krigföringsmedel som cyanogenklorid, sarin och dimetylmetylfosfonat (DMMP), vilket visar dess potential för användning under nödsituationer. "Eftersom gasmasker används i stor utsträckning i nödsituationer som brand och kemisk gasexponering, fokuserade vi på att applicera TENG på en gasmask. Vi tror att IVF-TENG kan användas som en självförsörjande sensor i sådana scenarier", säger Dr. Lee . + Utforska vidare
