Эти пьезоэлектрические материалы превращают свои движения в электричество
Представьте себе , если свист нити внутри карманов джинсы может зарядить ваш мобильный телефон . Датчики изображения , которые не нуждаются в батареях , потому что они делают свою собственную власть . И то , и другое в скором времени станет возможным благодаря новым пьезоэлектрическим материалам и устройствам .
Нажатие , раздавливание или скручивание таких материалов производит электрический заряд . Добавьте схему для захвата и хранения этого заряда , и вы можете преобразовать движение в электричество .
Пьезоэлектрические ( Pee - AY - zoh - ee - LEK - trik ) материалы не новы . Но заставить их сделать достаточно электроэнергии , чтобы сделать полезную работу . Сегодня большинство таких материалов производят лишь несколько микроватт энергии . Для сравнения , для питания типичной светодиодной лампочки требуется около 8 миллионов микроватт ( 8 Вт ). Большинство современных пьезоэлектрических материалов также керамические . Твердые , но легко ломаемые , они не могут длиться очень долго .
Но два новых проекта предлагают вкус того , как эти необычные материалы могут питания устройств , так что они могут работать в новых средах . Один преобразует ткани . Другой становится гидролокационным маяком , чтобы помочь навигации подводными роботами и многое другое .
Расширение прав и возможностей ткани
Камаль Азади спрашивает , как он может создать карман , который может зарядить мобильный телефон . Азади — физик в Университете Бата в Англии . Чтобы создать такой зарядный карман , ему нужен мягкий и эластичный пьезоэлектрический материал . Это устраняет керамические . Но нейлон может сработать.
Этот жесткий , эластичный , легкий пластик проявляется во всем , от купальников и спортивной одежды до лески и гитарных струн . Большинство нейлона не пьезоэлектрические . Но некоторые типы нейлона имеют это свойство - если и только если вы сначала уговорить его сформировать определенную кристаллическую структуру . Получение его в эту специальную структуру , как длинная , тонкая нить " трудно и сложно ", отмечает Азади . Но его команда недавно нашла способ сделать это .
Во - первых , исследователи растворили нейлоновые гранулы в сильной кислоте . Затем они использовали метод , называемый электроспынинг стрелять очень тонкая нить жидкости из иглы . Нить высыхает , как он приземляется на тарелку .
В первый раз команда попробовала это , однако , высушенная нить не была пьезоэлектрической . В чем проблема ? " Кислотные молекулы любят оставаться внутри нейлона ", объясняет Азади . " Они очень счастливы и расслаблены . Они не хотят выходить на улицу ".
Поэтому он добавил еще один ингредиент . Вызывается ацетон ( ASS - ih - toan ), это тот же материал внутри большинства удаления лака для ногтей . Это химическое вещество осуществляется кислоты из нейлоновой нити , как она высохла . Говорит Азади : " Это как если бы он говорит кислоты , " Хорошо , хорошая работа . Ты растворила нейлон . Теперь пришло время уйти ".
Чтобы продемонстрировать , что их новые волокна были пьезоэлектрическими , Азади подключил коврик , сделанный из них , к цепи . Затем студент положил коврик на ладонь . Открытие и закрытие его руки было все , что потребовалось для выработки электроэнергии .
Это было не достаточно , чтобы зарядить мобильный телефон . " Я хотел бы это было ", говорит Азади . Но с гораздо больше работы , говорит он , такой подвиг должен быть возможен . Команда Азади описала свои выводы 23 октября в Advanced Functional Materials .
Это был один из первых тестов , чтобы показать , что нейлоновые нити могут превратить движения тела в электричество . И это достаточно интересно для большинства исследователей .
" Это действительно растяжимый ", говорит Чжикун Даниэль Денг . Он инженер и океанолог , который не принимал участия в исследованиях . Он работает в Тихоокеанской Северо - Западной национальной лаборатории в Ричленде , штат Вашингтон , нейлоновые волокна могли бы сделать достаточно электроэнергии для запуска датчика малой мощности , говорит Дэн . Но сначала команде Азади придется добавить схему , чтобы управлять этим электричеством .
Малоэйтные пьезоэлектрические датчики могут помочь построить Интернет вещей . Это система датчиков , которые делятся информацией о людях , местах и вещах в режиме реального времени .
Например , пьезоэлектрические датчики на дорогах могут обнаруживать движение транспортных средств для отслеживания движения или при необходимости освещения предстоящих дорожных знаков или уличных фонарей . Датчики на теле или в одежде может контролировать здоровье или отслеживать фитнес , питание себя от движения , как кто - то ходит . Датчики , которые следят за океаном , могут привести себя в действие от движения воды .
Поиск пути под водой
Инженеры Фадель Адиб и Реза Гаффаривардаваг из Массачусетского технологического института в Кембридже работают над одной такой подводной системой . Сначала они использовали пьезоэлектрические материалы для создания датчика для измерения температуры моря или давления воды . Теперь они модифицируют датчик , чтобы действовать как подводный маяк . Вместо света , он будет пучка звуковых сигналов , чтобы помочь подводным машинам ориентироваться .
Радиосигналы легко отскакивают между спутниками , сотовыми телефонами и другими устройствами , отмечает Гаффаривардаваг . Эти сигналы помогают нам найти свой путь через GPS . Но когда радиосигналы по попали в воду , " они умирают очень быстро ", объясняет он . Звуки волны , однако , хорошо путешествовать по воде . Дельфины и некоторые киты используют технику , называемую эхолокацией , чтобы найти свой путь вокруг . Они излучают звук , а затем слушать его эхо , чтобы отскочить от чего - либо поблизости . Это эхо дает животному подробную информацию о его окрестностях .
Подводные роботы , подводные лодки и устройства , которые отслеживают рыб или других морских животных , используют аналогичную технику . Чтобы выяснить точное местоположение , однако , эти машины нуждаются в сети фиксированных маяков , которые слушают их звуки , а затем сказать им , где именно они находятся .
Для наблюдения за водными животными и их подводным миром Дэн часто использует сети таких маяков . Но они должны быть заменены , когда их батареи умирают , что может быть огромной проблемой . " Иногда , – говорит он , – вы высовывете их на год , восстанавливаете их и понимаете , что никто никогда не работал . Это наш худший кошмар , как исследователи ".
В отличие от этого , датчики группы MIT никогда не будут нуждаться в батареях . Они силой себя , используя вибрации звуковых волн удара их . Пьезоэлектрической керамики превратить эти вибрации в электричество .
Схема использует это электричество , чтобы разбудить датчик . Затем он отскакивает звуковые волны обратно в воду . Датчик не просыпается для всех типов звука , однако . Он слушает частоты , которые отправляют человеческие машины или устройства слежения .
Во время одного холодного бостонского зимнего дня в начале 2020 года команда Гаффаривардава выкололась в снегу , чтобы проверить свои датчики в реке Чарльз . Звуковые волны вызвали эти датчики , чтобы проснуться и начать работать . Исследователи описали свои новые технологии в ноябре на 19 - м семинаре Ассоциации вычислительной техники по горячим темам в сетях .
Датчики пока не передают свои сигналы достаточно далеко для Дэна и других ученых океана для использования . И их точность могла бы быть лучше , тоже . Но если MIT группа в состоянии улучшить свою технологию , Дэн надеется когда - нибудь использовать его для отслеживания морских животных и рыб , в том числе лосося , угрей и шад .
" Мы знаем больше о Луне , чем под водой ", говорит Ghaffarivardavagh . Может быть , в будущем это уже не будет правдой , говорит он , отчасти благодаря пьезоэлектрическим материалам .