Använda flexibla ledande polymerer och nya kretsmönster tryckta på papper, forskare har visat proof-of-concept bärbara termoelektriska generatorer som kan skörda energi från kroppsvärme för att driva enkla biosensorer för att mäta hjärtfrekvens, andning eller andra faktorer.

På grund av deras symmetriska fraktala ledningsmönster, enheterna kan skäras till den storlek som behövs för att tillhandahålla spännings- och effektkraven för specifika applikationer. De modulära generatorerna kan bläckstråleskrivas på flexibla substrat, inklusive tyg, och tillverkas med hjälp av billiga roll-to-roll-tekniker.

"Attraktionen med termoelektriska generatorer är att det finns värme runt omkring oss, " sa Akanksha Menon, en Ph.D. student vid Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Om vi ​​kan utnyttja lite av den värmen och förvandla den till elektricitet billigt, det finns stort värde. Vi jobbar på hur man producerar el med värme från kroppen."

Forskningen, stöds av PepsiCo, Inc. och Air Force Office of Scientific Research, rapporterades online i Journal of Applied Physics den 28 september.

Termoelektriska generatorer, som omvandlar värmeenergi direkt till elektricitet, har varit tillgängliga i decennier, men standarddesigner använder oflexibla oorganiska material som är för giftiga för användning i bärbara enheter. Effekten beror på temperaturskillnaden som kan skapas mellan två sidor av generatorerna, vilket gör beroende av kroppsvärme utmanande. Att få tillräckligt med värmeenergi från en liten kontaktyta på huden ökar utmaningen, och internt motstånd i enheten begränsar i slutändan uteffekten.

För att övervinna det, Menon och medarbetare i laboratoriet av biträdande professor Shannon Yee designade en enhet med tusentals punkter sammansatta av alternerande p-typ och n-typ polymerer i en tätt packad layout. Deras mönster omvandlar mer värme per ytenhet på grund av stora packningsdensiteter som möjliggörs av bläckstråleskrivare. Genom att placera polymerprickarna närmare varandra, sammankopplingslängden minskar, vilket i sin tur sänker det totala motståndet och resulterar i en högre uteffekt från enheten.

"Istället för att ansluta polymerprickarna med ett traditionellt serpentinmönster, vi använder ledningsmönster baserade på rymdfyllningskurvor, såsom Hilbert-mönstret – en kontinuerlig utrymmesfyllande kurva, " sa Kiarash Gordiz, en medförfattare som arbetade med projektet medan han var Ph.D. student vid Georgia Tech. "Fördelen här är att Hilbert-mönster tillåter ytkonformation och självlokalisering, vilket ger en mer enhetlig temperatur över enheten."

Den nya kretsdesignen har också en annan fördel:dess fraktalsymmetriska design gör att modulerna kan skäras längs gränserna mellan symmetriska områden för att ge exakt den spänning och effekt som behövs för en specifik tillämpning. Det eliminerar behovet av strömomvandlare som lägger till komplexitet och tar ström från systemet.

"Detta är värdefullt i samband med wearables, där du vill ha så få komponenter som möjligt, ", sa Menon. "Vi tror att detta kan vara ett riktigt intressant sätt att utöka användningen av termoelektrik för bärbara enheter."

Än så länge, enheterna har tryckts på vanligt papper, men forskarna har börjat utforska användningen av tyger. Både papper och tyg är flexibla, men tyget kunde lätt integreras i kläder.

"Vi vill integrera vår enhet i de kommersiella textilierna som människor bär varje dag, " sa Menon. "Folk skulle känna sig bekväma att bära dessa tyger, men de skulle kunna driva något med bara värmen från deras kroppar."

Med den nya designen, forskarna förväntar sig att få tillräckligt med el för att driva små sensorer, i intervallet mikrowatt till milliwatt. Det skulle räcka för enkla pulssensorer, men inte mer komplexa enheter som träningsspårare eller smartphones. Generatorerna kan också vara användbara för att komplettera batterier, låter enheterna fungera under längre tidsperioder.

Bland utmaningarna framöver är att skydda generatorerna från fukt och att bestämma hur nära huden de ska vara för att överföra termisk energi – samtidigt som de förblir bekväma för bärarna.

Forskarna använder kommersiellt tillgängliga material av p-typ, och arbetar med kemister vid Georgia Tech för att utveckla bättre polymerer av n-typ för framtida generationer av enheter som kan arbeta med små temperaturskillnader vid rumstemperatur. Kroppsvärme ger skillnader så små som fem grader, jämfört med hundra grader för generatorer som används som en del av rörledningar och ångledningar.

"En framtida fördel med denna klass av polymermaterial är potentialen för ett billigt och rikligt termoelektriskt material som skulle ha en inneboende låg värmeledningsförmåga, " sa Yee, som leder labbet som en del av Woodruff School of Mechanical Engineering. "Den organiska elektronikgemenskapen har gjort enorma framsteg när det gäller att förstå elektroniska och optiska egenskaper hos polymerbaserade material. Vi bygger vidare på den kunskapen för att förstå termisk och termoelektrisk transport i dessa polymerer för att möjliggöra ny enhetsfunktionalitet."

Bland de andra möjligheterna för materialen som utvecklas är lokaliserade kylanordningar som vänder processen, använda elektricitet för att flytta termisk energi från en sida av en enhet till en annan. Att kyla bara delar av kroppen kan ge en uppfattning om komfort utan kostnaden för luftkonditionering med stora utrymmen, sa Yee.