人体の「発電所」？ 5か月間安定した出力で、100個のLEDライトを簡単に点灯できます

現在、スマートフォンの製品革新が徐々に弱まり、市場容量が徐々に飽和に近づくにつれて、スマートウェアラブル電子デバイスはスマート端末業界の新たなホットスポットとなっています。

その中でも、フレキシブルなウェアラブル電子デバイスは、この分野における最先端の研究方向の 1 つです。

しかし、フレキシブルなウェアラブル電子機器のデザインと機能は、常にエネルギー源と使用される材料に左右されるため、市場には驚くべき製品は多くありません。

かさばるバッテリーを「捨てて」、私たち自身のエネルギーを使ってウェアラブル電子機器に電力を供給できたら素晴らしいと思いませんか?

今、このアイデアは現実になりつつあるかもしれません。

最近、シンガポールの南洋理工大学と清華大学の研究チームが共同で、人体の動きによって発生するエネルギーを直接電気エネルギーに変換できる伸縮性のある防水「生地」を開発した。

研究チームは概念実証実験で、3センチ×4センチの実験材料の断片を叩いて、100個のLEDライトを点灯するのに十分な電力を生成した。

さらに、洗濯、折り畳み、しわになっても生地の性能は低下せず、最大 5 か月間安定した出力を維持できます。

研究チームは、この新しい生地がスマートテキスタイルやウェアラブル電源になる可能性を秘めていると考えています。

「ハイブリッド摩擦電気および圧電エネルギー収集のための伸縮性、通気性、安定性を備えた鉛フリーペロブスカイト/ポリマーナノファイバー複合材」と題さ​​れた関連研究論文が、科学誌「Advanced Materials」に掲載されました。

新たな代替エネルギー源

この新しい生地は、日常生活におけるごくわずかな体の動きによって発生する振動を電気に変換できるエネルギー収集装置です。

論文によれば、この布地の主要成分はポリマーで、押されたり圧迫されたりすると機械的応力が電気エネルギーに変換されるという。

新しい生地は、伸縮性のあるスパンデックスのベース層とゴムのような素材を統合したもので、強度、柔軟性、防水性を維持します。

「動きからエネルギーを回収できる布地や衣服を開発する試みはこれまで数多く行われてきたが、大きな課題は、複数回の洗濯後も機能が劣化せず、良好な出力を維持するようにする方法だ」と、南洋理工大学の教授で論文の責任著者であるリー・プーイ・シー氏は述べた。

この研究で、研究チームは、試作品の生地は洗濯してしわくちゃになってもまだ十分に機能し、Tシャツに織り込んだり、靴の底に組み込んだりして、人体のごく小さな動きからエネルギーを収集し、モバイル機器に電力を供給できることを実証した。

この新しい生地は、押されたり押しつぶされたりして圧電効果を生み出す方法と、皮膚やゴム手袋などの他の素材と擦れ合うことで摩擦電気効果を生み出す方法の 2 つで電気を生成します。

プロトタイプの布を作成するために、科学者たちはまず、銀とスチレン-エチレン-ブチレン-スチレン（SEBS）からなる「インク」をスクリーン印刷して伸縮性のある電極を作成した。

次に、伸縮性電極を、圧縮、曲げ、または伸張すると電荷を生成するポリマーであるPVDF-HPFと、太陽電池やLEDに有望な材料である鉛フリーペロブスカイトから作られたナノファイバー生地に取り付けました。

研究チームは、PVDF-HPFにペロブスカイトを埋め込むことでプロトタイプの生地の電気出力容量を高めることができ、鉛フリーのペロブスカイトはより環境に優しい選択肢であると述べた。 PVDF-HPF はペロブスカイトに特別な機械的耐久性と柔軟性を与えるだけでなく、ペロブスカイトの追加保護層としても機能し、ペロブスカイトの機械的特性と安定性を高めます。

もう電池は不要ですか?

プロトタイプの布がどのように機能するかを実証するために、チームは、3 cm x 4 cm の布を手で連続的に叩くと、100 個の LED が点灯したり、さまざまなコンデンサが充電される様子を示しました。

結果は、新しい生地が優れた耐久性と安定性を示し、洗濯、折り畳み、しわになっても電気特性が劣化せず、最大 5 か月間継続して安定した電力出力を生成し続けることを示しました。

さらに、この新しい生地は腕、脚、手、肘、インソールに取り付けることができ、動きを妨げることなく、人間のさまざまな動きによって生成されるエネルギーを活用できます。

「バッテリー容量の向上と電力需要の減少にもかかわらず、ウェアラブルデバイスの電源は依然として頻繁なバッテリー交換を必要とします。私たちの研究結果では、エネルギー収集プロトタイプファブリックが人間の振動エネルギーを活用できることが示されており、バッテリー寿命の延長や自己発電システムの構築にもつながる可能性があります。私たちの知る限り、これは安定性、伸縮性、通気性、防水性を備え、優れた出力性能を発揮する初のペロブスカイトベースのハイブリッドエネルギーデバイスです」とリー氏は述べた。

研究チームは現在、同じ生地を使って異なる形態のエネルギーを収穫する方法を研究している。

参考文献:

https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity

https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042

https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_development_a_stretchable_and/

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm