Smokey the Bear säger att bara du kan förhindra skogsbränder, men tänk om Smokey hade en högteknologisk backup? I en ny studie, ett team av forskare från Michigan State University designade och tillverkade ett avlägset skogsbranddetektering och larmsystem som drivs av ingenting annat än trädens rörelse i vinden.

Som beskrivs i journalen Avancerade funktionella material , enheten, känd som MC-TENG – förkortning för multilayered cylindrical triboelectric nanogenerator (TENG) – genererar elektrisk kraft genom att skörda energi från den sporadiska rörelsen av trädgrenarna från vilka den hänger.

"Så vitt vi vet, detta är den första demonstrationen av en sådan ny MC-TENG som ett skogsbranddetektionssystem, " sa huvudförfattaren Changyong Cao, som leder Laboratory of Soft Machines and Electronics i MSU:s School of Packaging och är biträdande professor i Packaging School och Institutioner för maskinteknik, och El- och datateknik.

"Det självdrivna avkänningssystemet kunde kontinuerligt övervaka brand- och miljöförhållandena utan att kräva underhåll efter utplacering, " han sa.

För Cao och hans team, de tragiska skogsbränderna de senaste åren över den amerikanska västern, Brasilien och Australien var drivkrafterna bakom denna nya teknik. Cao tror att tidig och snabb reaktion på skogsbränder kommer att göra arbetet med att släcka dem lättare, avsevärt minska skadorna och förlusten av egendom och liv.

Traditionella metoder för upptäckt av skogsbrand inkluderar satellitövervakning, markpatruller, vakttorn, bland andra, som har höga arbets- och ekonomiska kostnader i utbyte mot låg effektivitet.

Nuvarande fjärrsensorteknologier blir allt vanligare, men förlitar sig främst på batteriteknik för ström.

"Även om solceller har använts i stor utsträckning för bärbar elektronik eller självförsörjande system, det är utmanande att installera dessa i en skog på grund av skuggan eller täckningen av frodigt lövverk, sa Yaokun Pang, medförfattare och postdoc-assistent vid Caos labb.

TENG-teknologin omvandlar extern mekanisk energi - såsom rörelsen av en trädgren - till elektricitet genom den triboelektriska effekten, ett fenomen där vissa material blir elektriskt laddade efter att de separerats från ett andra material som de tidigare varit i kontakt med.

Den enklaste versionen av TENG-enheten består av två cylindriska hylsor av unikt material som passar inuti varandra. Kärnhylsan är förankrad uppifrån medan den nedre hylsan är fri att glida upp och ner och röra sig från sida till sida, begränsas endast av ett elastiskt bindeband eller fjäder. När de två ärmarna rör sig ur synk, den intermittenta kontaktförlusten genererar elektricitet. MC-TENG är utrustade med flera hierarkiska triboelektriska lager, öka den elektriska effekten.

MC-TENG lagrar sin sporadiskt genererade elektriska ström i en kol-nanorör-baserad mikrosuperkondensator. Forskarna valde denna teknik för dess snabba laddnings- och urladdningstider, så att enheten kan laddas tillräckligt med endast korta men ihållande vindbyar.

"Vid en mycket låg vibrationsfrekvens, MC-TENG kan effektivt generera elektricitet för att ladda den anslutna superkondensatorn på mindre än tre minuter, " sa Cao.

Forskarna utrustade den första prototypen med både kolmonoxid (CO) och temperatursensorer. Tillägget av en temperatursensor var avsett att minska sannolikheten för en falsk positiv koldioxidavläsning.