300 milijulios mientras duermes
Un nuevo dispositivo portátil de recolección de energía convierte el toque de un dedo o incluso micro gotas de sudor en una fuente de recolección de energía para pequeños dispositivos y sensores, según un nuevo estudio publicado hoy en la revista. Julios.
Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego crearon esta tira delgada y flexible que se puede usar en la punta de su dedo. Generan pequeñas cantidades de electricidad cuando el dedo de una persona suda o el usuario lo presiona.
Lo especial de este dispositivo es que genera electricidad incluso cuando el usuario está durmiendo o sentado quieto. Esto es potencialmente un gran problema para los dispositivos portátiles, ya que los investigadores ahora han descubierto cómo aprovechar la energía que se puede extraer del sudor humano incluso cuando una persona no se está moviendo.
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Independientemente de la generación de energía basada en el sudor, pero complementaria a ella, el dispositivo extrae energía adicional de los movimientos cotidianos, como escribir o hacer clic con el mouse.
El dispositivo de recolección de energía portátil más eficiente hasta el momento
Hasta la fecha, el dispositivo es el recolector de energía «en el cuerpo» más eficiente que se haya inventado. Por ejemplo, puede producir 300 milijulios (mJ) de energía por centímetro cuadrado durante una sesión de sueño de 10 horas, sin ningún aporte de energía mecánica. Y una sola pulsación de un dedo genera 30 mJ adicionales de energía.
El dispositivo es el primero de su tipo y representa un avance significativo en la electrónica portátil autosuficiente, dijo el coautor Lu Yin.
«A diferencia de otros dispositivos portátiles impulsados por el sudor, este no requiere movimiento o esfuerzo físico por parte del usuario para ser útil», dijo. «Este trabajo es un paso adelante para hacer que los dispositivos portátiles sean más prácticos, convenientes y accesibles para la gente común».
Los dispositivos de energía basados en el sudor anteriores requerían ejercicio intenso, como correr o andar en bicicleta, antes de que el usuario sudara lo suficiente como para activar la generación de energía. Pero la gran cantidad de energía gastada durante el ejercicio puede cancelar fácilmente la energía generada, lo que a menudo resulta en un retorno de energía de menos del 1%.
Por el contrario, este dispositivo entra en la categoría de recolectores de energía, que los autores llaman el «santo grial». En lugar de depender de fuentes externas e irregulares como la luz solar o el movimiento, todo lo que se necesita es el contacto de los dedos para recolectar más de 300 mJ de energía durante el sueño, lo que, según los autores, es suficiente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos portátiles.
Recolección de energía con un clic del mouse o tocando el piano
Además, el dispositivo genera energía adicional presionando ligeramente los dedos, de modo que actividades como escribir, enviar mensajes de texto, tocar el piano o incluso escribir en código Morse pueden convertirse en fuentes de energía.
«Imaginamos que esto podría usarse en cualquier actividad táctil diaria, cosas que una persona haría normalmente en el trabajo, en casa, mientras ve la televisión o come de todos modos», dijo el coautor Joseph Wang. «El objetivo es que este wearable funcione de forma natural para ti y que ni siquiera tengas que pensar en ello».
Este dispositivo portátil de recolección de energía, que puede generar energía con el clic de un mouse o tocando el piano, obtiene aún más energía del sudor producido por las yemas de los dedos, que es una fábrica de soldadura de 24 horas. Es un hecho poco conocido que las yemas de los dedos son una de las partes más sudorosas del cuerpo; cada uno está repleto de más de mil glándulas sudoríparas.
Pero no todos los dispositivos sudorosos pueden funcionar al alcance de la mano. Para recolectar el sudor de un área tan pequeña y hacerla utilizable, se requería una tecnología de materiales innovadora, explicó Yin. Los investigadores tuvieron que construir varias partes del dispositivo para que fueran superabsorbentes y convirtieran de manera eficiente las sustancias químicas del sudor humano en energía eléctrica.
Esta última tecnología de recolección de energía es única porque puede servir como fuente de energía en cualquier momento y lugar. No tiene las mismas limitaciones que las células solares, que solo funcionan bajo la luz del sol, o los generadores termoeléctricos, que solo funcionan cuando existen grandes diferencias de temperatura entre el dispositivo y su entorno.
Entonces, ¿cuánta energía? Una noche de sueño puede suministrar energía a un reloj inteligente durante 24 horas.
Los investigadores hicieron que los sujetos usaran el dispositivo en la punta de un dedo mientras realizaban actividades sedentarias o dormían. Tras 10 horas de sueño, el dispositivo reunió casi 400 milijulios de energía, suficiente para alimentar un reloj de pulsera electrónico durante 24 horas. A modo de comparación: un milijulio corresponde a la cantidad de energía que deposita una moneda de 1 céntimo de euro desde una altura de 5 centímetros.
A partir de una hora de tecleo casual y hacer clic con el mouse, el dispositivo recopiló casi 30 milijulios.
Y eso es solo la punta de un dedo. Amarrar herramientas en las yemas de los dedos restantes generaría diez veces más energía, dijeron los investigadores.
Un rendimiento mucho mayor que los dispositivos de recolección de energía anteriores
“Al utilizar el sudor de la yema del dedo, que se drena naturalmente sin importar dónde se encuentre o qué esté haciendo, esta tecnología ofrece una ganancia neta de energía sin ningún esfuerzo por parte del usuario. Eso es lo que llamamos un máximo retorno de energía ”, dijo Wang.
«Compare esto con un dispositivo que gana energía mientras hace ejercicio», dijo Yin. “Cuando corres, estás invirtiendo cientos de julios de energía simplemente haciendo que el dispositivo produzca milijulios de energía. En este caso, su retorno de energía es muy bajo «.
«Pero con este dispositivo, el retorno de la inversión es muy alto», dijo. “Cuando duermes, no estás haciendo ningún trabajo. Solo inviertes alrededor de medio milijulio con solo presionar el dedo «.
Así funcionan estas tiras recolectoras de energía
El dispositivo que los investigadores desarrollaron en este estudio es un tipo de recolector de energía llamado célula de biocombustible (BFC) y funciona con lactato, un compuesto disuelto en el sudor.
Desde el exterior, parece una simple pieza de espuma conectada a un circuito con electrodos, todos los cuales están conectados a la punta de un dedo. La espuma está hecha de material de nanotubos de carbono y el dispositivo también contiene un hidrogel que maximiza la absorción del sudor.
El dispositivo es una tira delgada y flexible que se puede envolver alrededor de la punta de su dedo como una tirita. Un acolchado de electrodos de espuma de carbono absorbe el sudor y lo convierte en energía eléctrica.
“El tamaño del dispositivo es de aproximadamente 1 centímetro cuadrado. El material también es flexible, por lo que no tiene que preocuparse por que sea demasiado rígido o se sienta extraño. Puede usarlo cómodamente durante un largo período de tiempo ”, dice Yin.
Los electrodos están equipados con enzimas que desencadenan reacciones químicas entre las moléculas de lactato y oxígeno en el sudor para generar electricidad. Debajo de los electrodos hay un chip hecho de un material llamado piezoeléctrico que genera energía eléctrica adicional cuando se presiona.
Cuando el usuario suda o presiona la tira, la energía eléctrica se almacena en un pequeño condensador y se transmite a otros dispositivos cuando es necesario.
«No es solo otra cosa interesante que puede generar una pequeña cantidad de energía»
«Nuestro objetivo es hacer de este un dispositivo práctico», dijo Yin. «Queremos demostrar que esto no es solo otra cosa interesante que puede generar una pequeña cantidad de energía, y eso es todo, de hecho podemos usar la energía para alimentar dispositivos electrónicos útiles como sensores y pantallas».
Los investigadores pudieron usar el dispositivo para alimentar sistemas de sensores de sodio y vitamina C efectivos, y están optimistas de que el dispositivo será aún mejor en el futuro para que sea adecuado para aplicaciones de salud y bienestar, como medidores de glucosa para humanos con diabetes.
“Queremos integrar este dispositivo más de cerca en formas portátiles como guantes. También estamos explorando la posibilidad de conectividad inalámbrica a dispositivos móviles para una cobertura continua mejorada ”, dice Yin.
Para hacer esto, el equipo continúa mejorando el dispositivo para hacerlo más eficiente y duradero. Los estudios futuros incluirán combinarlo con otros tipos de recolectores de energía para crear una nueva generación de sistemas portátiles autoalimentados.
A continuación se muestra un video de este nuevo dispositivo de recolección de energía en acción.
Aprender: «Una celda de biocombustible de soldadura pasiva: alto retorno de energía»
Autores: Muyang Lin, Mengzhu Cao, Alexander Trifonov, Fangyu Zhang, Zhiyuan Lou, Jae-Min Jeong, Sang-Jin Lee y Sheng Xu
Publicado en: Julios
Fecha de lanzamiento: 13 de julio de 2022
DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.004
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