Forskere puster liv i sensorer med alsidige gasmasker

Med begyndelsen af ​​Internet of Things (IoT)-æraen har enheder lært at kommunikere og udveksle data. Dette opnås gennem sensorer installeret i fysiske genstande, maskiner og udstyr. Sensorerne kan registrere ændringer i hændelser. Behovet for kontinuerlig energiforsyning til disse sensorer udgør imidlertid en udfordring. Batterier er omfangsrige, dyre og ikke miljøvenlige. Derudover skal de konstant udskiftes eller genoplades.

Derfor er der et behov for bæredygtige og vedvarende energikilder til at erstatte batterier. Den triboelektriske nanogenerator (TENG) er en sådan enhed. Kort sagt omdanner TENG'er mekanisk energi til elektrisk energi. Deres høje energieffektivitet, kompatibilitet med let tilgængelige materialer og lave omkostninger gør dem til en lovende kandidat til at drive sensorer.

På trods af sådanne fordele er nuværende TENG'er imidlertid begrænset af en lav udgangsstrøm. Men at øge udgangsstrømmen ville kræve større udstyr, hvilket gør det umuligt at blive brugt i små enheder. Er der en vej uden om denne afvejning?

Et forskerhold ledet af lektor Sangmin Lee fra Chung-Ang University i Korea har nu behandlet dette problem. "Vores laboratorium er interesseret i højeffekt TENG-design og TENG-baserede selvdrevne sensorer. Vi forsøgte at adressere begrænsningen af ​​nuværende TENG'er, så de kunne bruges til at realisere bærbare strømkilder i praksis," siger Dr. Lee, der forklarer hans motivation bag undersøgelsen, som blev offentliggjort i Advanced Energy Materials . Undersøgelsen vil blive vist på forsiden af ​​det kommende nummer.

Holdet udviklede en ny enhed i deres undersøgelse kaldet "inhalationsdrevet vertikal flutter TENG" (IVF-TENG), der udviser en forstærket strømudgang. "Åndedræt fungerer som et kontinuerligt mekanisk input og kan bruges til at betjene TENG'er. Film-flutter TENG'er er sådanne respirationsdrevne enheder, der kan generere et kontinuerligt elektrisk output fra et ekstremt lille respirationsinput ved at udnytte det flagrende fænomen, der opstår fra luftstrømsinducerede vibrationer ," forklarer Dr. Lee.

IVF-TENG er sammensat af en aluminium (Al) indgangselektrode, en aeroelastisk dielektrisk plade (polyimid) og en Al udgangselektrode. Det aeroelastiske lag har fire segmenter med fire slidser og udsættes for lodret flagrende adfærd forårsaget af luftstrøm. Dette gør den foreslåede IVF-TENG anderledes end eksisterende TENG'er.

Holdet undersøgte de elektriske og mekaniske mekanismer ved IVF-TENG. De fandt ud af, at IVF-TENG genererede en kontinuerlig, højfrekvent elektrisk spænding (17 V) og en lukket kredsløbsstrøm på 1,84 μA under inhalation og en elektrostatisk udladningsspænding på 456 V og lukket kredsløbsudgangsstrøm på 288 mA ved begyndelsen og slutningen af ​​hver inspirationscyklus.

De viste yderligere, at IVF-TENG kontinuerligt kan forsyne 130 lysdioder i serie og 140 lysdioder parallelt ved hver inhalation. Derudover kunne den oplade en 660 𝜇F kondensator for til gengæld at forsyne en Bluetooth-tracker og give dens signal til en smartphone. Disse egenskaber demonstrerede potentialet for IVF-TENG's anvendelse inden for bærbar elektronik og trådløs datatransmission.

Desuden integrerede forskerne IVF-TENG i en gasmaske og demonstrerede dens evne til at overvåge brugerens vejrtrækningsmønster ved at observere output-responsbølgeformen. Desuden kunne det opdage kemiske krigsførende midler som cyanogenchlorid, sarin og dimethylmethylphosphonat (DMMP), hvilket viser dets potentiale til brug i nødsituationer. "Da gasmasker bruges i vid udstrækning i nødsituationer som brand og kemisk gaseksponering, fokuserede vi på at anvende TENG på en gasmaske. Vi mener, at IVF-TENG kan bruges som en selvdrevet sensor i sådanne scenarier," siger Dr. Lee. . + Udforsk yderligere

Håndtag-inspireret triboelektrisk nanogenerator med ultrahøj udgang til pulsovervågning