Мы периодически слышим о создании носимых пьезоэлектрических устройств, которые генерируют электричество от движений человека. Увы, такие гаджеты не очень универсальны, поскольку работают лишь при определенных условиях. Новое биоэлектрическое носимое устройство работает везде, поскольку использует для выработки электричества крошечные магниты.
Магнитоупругий эффект
В то время как пьезоэлектрические устройства генерируют электрический ток при сжатии, новый инструмент немного отличается. Он использует так называемый “магнитоупругий эффект”. Этот эффект возникает при механическом давлении, когда магнитные частицы приходят в движение внутри эластичного материала. Электрический ток генерируется по мере изменения напряженности магнитного поля этого материала.
Ранние прототипы магнитоупругих генераторов изготавливались из жестких металлических сплавов, которые были слишком неудобными для ношения на теле. Но теперь ученым Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) удалось создать конструкцию, которая достаточно мягкая и гибкая, чтобы носить ее на подвижных частях тела.
Как это работает?
Генератор состоит из силиконовой полимерной матрицы, внутри которой находятся наноразмерные неодимово-железоборные магниты. Когда такой генератор закрепили на локте добровольца, он начал генерировать электричество при движениях руки. Выработка составила 4,27 миллиампера на квадратный сантиметр генератора.
Важно, что генератору не нужны интенсивные движения. Эксперименты показали, что он создает электричество даже от человеческого пульса. Это означает, что устройство можно встраивать в автономные мониторы сердечного ритма и другие имплантируемые компоненты.
Почему это важно?
Магнитоупругий генератор имеет важные преимущества перед существующими альтернативами. «Современные технологии для преобразования биомеханической энергии в электрическую, включая трибоэлектрические и пьезоэлектрические наногенераторы, сталкиваются с неизбежными проблемами, такими как очень низкая плотность тока и высокий внутренний импеданс. Что еще важнее, они уязвимы для влажной окружающей среды, создаваемой потоотделением и жидкостями человеческого тела, что серьезно ограничивает их практическое применение на теле», - говорит автор исследования, доцент UCLA Цзюнь Чен.
Мягкий магнитоупругий генератор генерирует больше электричества, и на него не влияет влага. Другие типы генераторов могут быть защищены от влаги водонепроницаемым покрытием, но, как правило, добавление такого покрытия снижает их эффективность.
В случае с магнитоупругим генератором, влагостойкая полимерная матрица является не защитным слоем, а базовым компонентом устройства. А значит, такое устройство можно смело применять для питания электронных имплантов внутри человеческого тела.
Подробное описание разработки опубликовано в журнале Nature Materials.
