Dit apparaat haalt kracht uit je zweterige vingertoppen terwijl je slaapt

Voel je je extra bezweet door een zomerse hittegolf? Maak je geen zorgen – niet al je transpiratie hoeft verloren te gaan. In een paper die op 13 juli in het tijdschrift wordt gepubliceerd Joule, hebben onderzoekers een nieuw apparaat ontwikkeld dat energie haalt uit het zweet op – of all places – je vingertoppen. Tot op heden is het apparaat de meest efficiënte on-body energy harvester die ooit is uitgevonden, en produceert 300 millijoule (mJ) energie per vierkante centimeter zonder enige mechanische energie-invoer tijdens een slaap van 10 uur en nog eens 30 mJ extra energie met een enkele druk op de knop van een vinger. De auteurs zeggen dat het apparaat een belangrijke stap voorwaarts betekent voor zelfvoorzienende draagbare elektronica.

“Normaal gesproken wil je een maximaal rendement op je investering in energie. Je wilt niet veel energie verbruiken door te sporten om maar een klein beetje energie terug te krijgen”, zegt senior auteur Joseph Wang, hoogleraar nano-engineering aan de Universiteit van Californië in San Diego. . “Maar hier wilden we een apparaat maken dat is aangepast aan dagelijkse activiteiten en dat bijna geen energie-investering vereist – je kunt het apparaat volledig vergeten en gaan slapen of aan je bureau werken zoals typen, maar toch energie blijven opwekken. Je kunt het zo noemen ‘kracht door niets te doen.'”

Eerdere op zweet gebaseerde energie-apparaten vereisten intensieve training, zoals veel hardlopen of fietsen, voordat de gebruiker genoeg zweette om de energieopwekking te activeren. Maar de grote hoeveelheid energie die tijdens het sporten wordt verbruikt, kan de geproduceerde energie gemakkelijk tenietdoen, wat vaak resulteert in een energierendement op de investering van minder dan 1%.

Dit apparaat valt daarentegen in wat de auteurs de “heilige graal” categorie van energieoogstmachines noemen. In plaats van te vertrouwen op externe, onregelmatige bronnen zoals zonlicht of beweging, is alleen vingercontact nodig om meer dan 300 mJ energie te verzamelen tijdens de slaap – wat volgens de auteurs voldoende is om wat kleine draagbare elektronica van stroom te voorzien. Omdat er geen beweging nodig is, is de verhouding tussen geoogste energie en geïnvesteerde energie in wezen oneindig.

Het lijkt misschien vreemd om de vingertoppen als bron van dit zweet te kiezen boven, laten we zeggen, de oksels, maar in feite hebben de vingertoppen de hoogste concentratie zweetklieren vergeleken met waar dan ook op het lichaam.

“Het genereren van meer zweet bij de vingers is waarschijnlijk geëvolueerd om ons te helpen dingen beter vast te houden”, zegt eerste co-auteur Lu Yin, een nano-engineering Ph.D. student aan het werk in het lab van Wang. “De zweetsnelheid op de vinger kan oplopen tot enkele microliters per vierkante centimeter per minuut. Dit is significant in vergelijking met andere locaties op het lichaam, waar de zweetsnelheid misschien twee of drie orden van grootte kleiner is.”

Het apparaat dat de onderzoekers in dit onderzoek hebben ontwikkeld, is een soort energieoogstmachine, een biobrandstofcel (BFC) genaamd, en wordt aangedreven door lactaat, een opgeloste verbinding in zweet. Van de buitenkant ziet het eruit als een eenvoudig stuk schuim dat is verbonden met een circuit met elektroden, die allemaal op het kussentje van een vinger zijn bevestigd. Het schuim is gemaakt van koolstof nanobuismateriaal en het apparaat bevat ook een hydrogel die de zweetabsorptie helpt maximaliseren.

“De grootte van het apparaat is ongeveer 1 vierkante centimeter. Het materiaal is ook flexibel, dus je hoeft je geen zorgen te maken dat het te stijf is of raar aanvoelt. Je kunt het comfortabel voor een langere tijd dragen”, zegt Yin.

Binnen het apparaat vindt een reeks elektrochemische reacties plaats. De cellen zijn voorzien van een bio-enzym op de anode dat het lactaat oxideert of elektronen verwijdert; de kathode wordt afgezet met een kleine hoeveelheid platina om een ​​reductiereactie te katalyseren die het elektron nodig heeft om zuurstof in water om te zetten. Zodra dit gebeurt, stromen elektronen van het lactaat door het circuit, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Dit proces verloopt spontaan: zolang er lactaat aanwezig is, is er geen extra energie nodig om het proces op gang te brengen.

Los van, maar complementair aan de BFC, zijn piëzo-elektrische generatoren – die mechanische energie omzetten in elektriciteit – ook aangesloten op het apparaat om tot 20% extra energie te oogsten. Vertrouwend op de natuurlijke knijpende beweging van vingers of alledaagse bewegingen zoals typen, hielpen deze generatoren extra energie te produceren uit nauwelijks enig werk: een enkele druk op een vinger eenmaal per uur vereiste slechts 0,5 mJ energie, maar produceerde meer dan 30 mJ energie, een 6000 % rendement op de investering.

De onderzoekers waren in staat om het apparaat te gebruiken om effectieve vitamine C- en natriumdetectiesystemen van stroom te voorzien, en ze zijn optimistisch over het verbeteren van het apparaat om in de toekomst nog meer mogelijkheden te hebben, waardoor het geschikt kan worden voor gezondheids- en welzijnstoepassingen zoals glucose meter voor mensen met diabetes. “We willen dit apparaat nauwer integreren in draagbare vormen, zoals handschoenen. We onderzoeken ook de mogelijkheid om draadloze verbinding met mobiele apparaten mogelijk te maken voor uitgebreide continue detectie”, zegt Yin.

“Er is veel opwindend potentieel”, zegt Wang. “We hebben tien vingers om mee te spelen.”