توسعه فیبرهای نرم جمع آوری کننده انرژی برای حسگرهای پوشیدنی خودتغذیه

به گفته hackster

چالش‌های دستگاه‌های کوچک و پوشیدنی

در سال‌های اخیر، دستگاه‌های الکترونیکی از لپ‌تاپ‌ها تا گوشی‌های هوشمند و ساعت‌های هوشمند، کوچک‌تر و قابل‌حمل‌تر شده‌اند. با این حال، این کوچک‌سازی چالش‌هایی به همراه داشته است. فناوری باتری‌ها با سرعت پیشرفت سایر بخش‌ها همگام نبوده و تأمین انرژی برای این ابزارها دشوار شده است. علاوه بر این، اجزای سخت و غیرمنعطف این دستگاه‌ها، استفاده طولانی‌مدت از آن‌ها را در ابزارهای پوشیدنی سخت کرده است. مهندسان دانشگاه Pennsylvania State با توسعه ماده‌ای جدید، راه‌حلی برای هر دو مشکل ارائه داده‌اند: فیبرهایی نرم و انعطاف‌پذیر که همزمان انرژی تولید کرده و به‌عنوان حسگر عمل می‌کنند.

ماده‌ای نوآورانه: فیبرهای جمع آوری کننده انرژی

ترکیب و ویژگی‌های پلیمر

این ماده از دسته‌ای خاص از پلیمرها با خواص پیزوالکتریک و فروفریک ساخته شده است که می‌توانند با قرار گرفتن در معرض تنش مکانیکی یا تغییرات دما، بار الکتریکی تولید کنند. ماده پایه این فیبرها، poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) نام دارد که سبک، پایدار در برابر حرارت و بسیار انعطاف‌پذیر است. این ویژگی‌ها آن را به گزینه‌ای مناسب برای الکترونیک‌های پوشیدنی، دستگاه‌های زیست‌پزشکی و کاربردهای حمع اوری انرژی تبدیل کرده است.

روش تولید: الکتروریسی

محققان برای ساخت این ماده از تکنیک الکتروریسی (Electrospinning) استفاده کرده‌اند. در این روش، با استفاده از میدان الکتریکی ولتاژ بالا، فیبرهای بسیار نازک از محلول پلیمری استخراج می‌شوند. در طی این فرآیند، ساختار مولکولی داخلی فیبرها تثبیت شده و ویژگی‌های نهایی آن‌ها شکل می‌گیرد. با تنظیم وزن مولکولی پلیمر و غلظت محلول، تیم تحقیقاتی توانست فیبرهایی با کریستالیته بالا (67%) و فاز قطبی قوی (79%) تولید کند که کارایی پیزوالکتریک را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

کشف وزن مولکولی پایین، عملکرد بهتر

برخلاف روش‌های مرسوم که از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا استفاده می‌کنند، این تیم به‌صورت غیرمنتظره دریافت که پلیمرهای با وزن مولکولی پایین عملکرد بهتری دارند. زنجیره‌های کوتاه‌تر در این پلیمرها، تحرک بیشتری در طول فرآیند سریع الکتروریسی دارند و ساختار کریستالی منظم‌تری ایجاد می‌کنند. این ویژگی به تولید فیبرهایی با کارایی الکترواکتیو بالاتر منجر شده است.

کاربردهای متنوع فیبرهای انرژی‌گیر

از ماسک‌های پزشکی تا حسگرهای پوشیدنی

ایده اولیه این پروژه برای استفاده در ماسک‌های پزشکی بود که می‌توانند با استفاده از بارهای الکترواستاتیک، ویروس‌ها و باکتری‌ها را به دام بیندازند. اما کاربردهای این ماده فراتر از تجهیزات حفاظتی است. با فشار دادن یا خم کردن این ماده، الکتریسیته تولید می‌شود که می‌تواند حسگرهای کوچک در دستگاه‌های مانیتورینگ سلامت یا ابزارهای سنجش محیطی را تغذیه کند.

مزایا برای دستگاه‌های پوشیدنی

نرمی و انعطاف‌پذیری این ماده امکان ادغام آن در لباس‌ها را فراهم می‌کند. این یعنی حسگرهای خودتغذیه‌ای که نیازی به باتری ندارند و راحتی طولانی‌مدت را برای کاربر تضمین می‌کنند. این نوآوری می‌تواند تحولی در ابزارهای پوشیدنی ایجاد کند و راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌های هوشمند هموار سازد.

گام‌های بعدی و تجاری‌سازی

تیم تحقیقاتی در حال بررسی مراحل پس‌پردازش مانند فشرده‌سازی (Densification) است که با استفاده از حرارت و فشار، ساختار فیبرها را متراکم‌تر می‌کند و کارایی را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، آن‌ها به‌دنبال شرکای صنعتی هستند تا این فناوری را از آزمایشگاه به بازار محصولات واقعی منتقل کنند.

مشخصات کلیدی ماده جدید