Nieuw apparaat drijft draagbare sensoren aan door middel van menselijke beweging

De komst van goedkope draagbare sensoren die de hartslag en de lichaamstemperatuur kunnen meten, evenals de bloedsuikerspiegel en metabole bijproducten, heeft het voor onderzoekers en gezondheidswerkers mogelijk gemaakt om de menselijke gezondheid te volgen op manieren die nooit eerder mogelijk waren. Maar zoals alle elektronische apparaten hebben deze draagbare sensoren een stroombron nodig. Batterijen zijn een optie, maar zijn niet per se ideaal, omdat ze omvangrijk en zwaar kunnen zijn en leeg kunnen raken.

Wei Gao van Caltech, assistent-professor medische technologie bij de afdeling Medische Technologie van Andrew en Peggy Cherng, heeft deze sensoren ontwikkeld, evenals nieuwe benaderingen om ze van stroom te voorzien met behulp van het menselijk lichaam zelf. Eerder creëerde hij een sensor die gezondheidsindicatoren kon volgen in menselijk zweet dat wordt aangedreven door zweet zelf.

Nu heeft Gao een nieuwe manier ontwikkeld om draadloze draagbare sensoren van stroom te voorzien: hij oogst kinetische energie die wordt geproduceerd door een persoon terwijl ze zich verplaatsen.

Deze energie-oogst wordt gedaan met een dunne sandwich van materialen (teflon, koper en polyimide) die op de huid van de persoon zijn bevestigd. Terwijl de persoon beweegt, wrijven deze vellen materiaal tegen een glijlaag van koper en polyimide en wekken kleine hoeveelheden elektriciteit op. Het effect, dat bekend staat als tribo-elektriciteit, wordt misschien het best geïllustreerd door de statische elektrische schok die iemand kan krijgen nadat hij over een vloerbedekking is gelopen en vervolgens een metalen deurknop heeft aangeraakt.

“Onze tribo-elektrische generator, ook wel een nanogenerator genoemd, heeft een stator, die aan de romp is bevestigd, en een schuif die aan de binnenkant van de arm is bevestigd. De schuif schuift tegen de stator tijdens menselijke beweging, en een elektrische stroom wordt tegelijkertijd gegenereerd “, zegt Gao. “Het mechanisme is vrij eenvoudig. Wrijving resulteert in elektrische opwekking. Dit is conceptueel niet iets nieuws.”

Wat nieuw is, zegt Gao, is hoe het onderzoeksteam de nanogenerator heeft vervaardigd.

“In plaats van dure materialen te gebruiken, gebruiken we in de handel verkrijgbare flexibele printplaten”, zegt hij. “Dit materiaal is goedkoop en zeer duurzaam en mechanisch robuust gedurende lange perioden.”

De nanogenerator wekt niet veel elektriciteit op; je zou inderdaad een apparaat nodig hebben met een oppervlakte van 100 vierkante meter om een ​​gloeilamp van 40 watt van stroom te voorzien. De draagbare sensoren van Gao hebben echter een laag stroomverbruik en het systeem slaat de gegenereerde elektriciteit op in een condensator totdat er voldoende lading is om de sensor te meten en de gegevens draadloos naar een mobiele telefoon te sturen via Bluetooth. Hoe meer een persoon beweegt, hoe vaker de sensor gegevens kan verzamelen. Zelfs als de persoon redelijk zittend is, zal de sensor uiteindelijk voldoende vermogen verzamelen om te werken.

Gao zou uiteindelijk zijn draagbare sensoren willen laten werken met stroom die via meerdere methoden wordt gegenereerd. Een draagbaar apparaat kan bijvoorbeeld elektriciteit gebruiken die wordt opgewekt door zweet, een tribo-elektrische generator en kleine draagbare zonnepanelen.

Het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven, getiteld “Draadloze batterijloze draagbare zweetsensor aangedreven door menselijke beweging”, verschijnt in nummer 40 van het tijdschrift Science Advances.