En bärbar energiupptagningsanordning kan generera energi från en armsving när du går eller joggar, enligt ett team av forskare från Penn State's Materials Research Institute och University of Utah. Enheten, ungefär lika stor som ett armbandsur, producerar tillräckligt med kraft för att driva ett personligt hälsoövervakningssystem.
"De enheter vi tillverkar med våra optimerade material kör någonstans mellan 5 och 50 gånger bättre än något annat som har rapporterats, "sa Susan Trolier-McKinstry, Steward S. Flaschen professor i materialvetenskap och teknik och elektroteknik, Penn State.
Energianvändningsenheter är efterfrågade för att driva miljontals enheter som utgör tingenas internet. Genom att tillhandahålla kontinuerligt ström till ett uppladdningsbart batteri eller en superkondensator, energiskördare kan minska arbetskostnaderna för att byta batterier när de misslyckas och hålla uttjänta batterier borta från deponier.
Vissa kristaller kan producera en elektrisk ström när de komprimeras eller de kan ändra form när en elektrisk laddning appliceras. Denna piezoelektriska effekt används i ultraljud och ekolod, samt energihämtning.
I det här arbetet, Trolier-McKinstry och hennes tidigare doktorand, Hong Goo Yeo, använt ett välkänt piezoelektriskt material, PZT, och belagde den på båda sidor av en flexibel metallfolie till en tjocklek fyra eller fem gånger större än i tidigare anordningar. Större volym av det aktiva materialet motsvarar generering av mer kraft. Genom att orientera filmens kristallstruktur för att optimera polarisering, prestanda - känd som meritfiguren - för energiupptagning ökades. De tryckspänningar som skapas i filmen när den odlas på de flexibla metallfolierna innebär också att PZT -filmerna kan upprätthålla höga belastningar utan att spricka, gör för mer robusta enheter.
"Det fanns några bra materialvetenskapliga utmaningar, "Trolier-McKinstry sa om detta arbete, rapporterade i en online tidig upplaga av Avancerade funktionella material före tryckt publicering. "Det första var hur man får filmtjockleken hög på en flexibel metallfolie. Sedan behövde vi få rätt kristallorientering för att få den starkaste piezoelektriska effekten."
Samarbetspartners vid University of Utah och i Penn State Department of Mechanical Engineering designade en ny armbandsurliknande enhet som innehåller PZT/metallfoliematerial. Enheten använder en fritt roterande, excentrisk mässingsrotor med inbäddad magnet, och flera PZT -balkar med en magnet på varje stråle. När magneten på rotorn närmar sig en av strålarna, magneterna stöter bort varandra och avböjer strålen, plocka strålen i en process som kallas frekvensuppkonvertering. Den långsamma frekvensen hos en roterande handled omvandlas till en högre frekvensoscillation. Utformningen av denna enhet är mer effektiv än en vanlig elektromagnetisk skördare-som den som används i självdrivna klockor-enligt Trolier-McKinstry.
I framtida arbete, teamet tror att de kan fördubbla effekten med kallsintringsprocessen, en syntessteknik med låg temperatur som utvecklats i Penn State. Dessutom, forskarna arbetar med att lägga till en magnetisk komponent till den nuvarande mekaniska skördaren för att rensa energi över en större del av dagen när det inte finns någon fysisk aktivitet.
