Utilizzando polimeri conduttori flessibili e nuovi modelli di circuiti stampati su carta, i ricercatori hanno dimostrato generatori termoelettrici indossabili proof-of-concept che possono raccogliere energia dal calore corporeo per alimentare semplici biosensori per misurare la frequenza cardiaca, respirazione o altri fattori.

A causa dei loro schemi di cablaggio frattali simmetrici, i dispositivi possono essere tagliati alla dimensione necessaria per fornire i requisiti di tensione e alimentazione per applicazioni specifiche. I generatori modulari possono essere stampati a getto d'inchiostro su supporti flessibili, compreso il tessuto, e fabbricati utilizzando tecniche roll-to-roll poco costose.

"L'attrazione dei generatori termoelettrici è che c'è calore intorno a noi, " disse Akanksha Menon, un dottorato di ricerca studente presso la Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Se potessimo sfruttare un po' di quel calore e trasformarlo in elettricità a basso costo, c'è un grande valore. Stiamo lavorando su come produrre elettricità con il calore del corpo".

La ricerca, supportato da PepsiCo, Inc. e l'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica, è stato segnalato online nel Rivista di fisica applicata il 28 settembre.

generatori termoelettrici, che convertono l'energia termica direttamente in energia elettrica, sono disponibili da decenni, ma i progetti standard utilizzano materiali inorganici inflessibili che sono troppo tossici per l'uso in dispositivi indossabili. La potenza erogata dipende dal differenziale di temperatura che si può creare tra due lati dei generatori, il che rende difficile la dipendenza dal calore corporeo. Ottenere abbastanza energia termica da una piccola area di contatto sulla pelle aumenta la sfida, e la resistenza interna nel dispositivo limita infine la potenza in uscita.

Per superarlo, Menon e collaboratori nel laboratorio dell'assistente professore Shannon Yee hanno progettato un dispositivo con migliaia di punti composti da polimeri alternati di tipo p e di tipo n in un layout compatto. Il loro modello converte più calore per unità di area a causa delle grandi densità di imballaggio consentite dalle stampanti a getto d'inchiostro. Posizionando i punti polimerici più vicini tra loro, la lunghezza dell'interconnessione diminuisce, che a sua volta riduce la resistenza totale e si traduce in una maggiore potenza in uscita dal dispositivo.

"Invece di collegare i punti in polimero con un tradizionale schema di cablaggio a serpentina, stiamo usando schemi di cablaggio basati su curve di riempimento dello spazio, come il modello di Hilbert – una curva continua che riempie lo spazio, "ha detto Kiarash Gordiz, un coautore che ha lavorato al progetto mentre era un dottorato di ricerca. studente presso Georgia Tech. "Il vantaggio qui è che i modelli di Hilbert consentono la conformazione della superficie e l'autolocalizzazione, che fornisce una temperatura più uniforme in tutto il dispositivo."

Il nuovo design del circuito ha anche un altro vantaggio:il suo design frattalmente simmetrico consente di tagliare i moduli lungo i confini tra aree simmetriche per fornire esattamente la tensione e la potenza necessarie per un'applicazione specifica. Ciò elimina la necessità di convertitori di potenza che aggiungono complessità e tolgono potenza al sistema.

"Questo è prezioso nel contesto dei dispositivi indossabili, dove vuoi il minor numero di componenti possibile, " ha detto Menon. "Pensiamo che questo potrebbe essere un modo davvero interessante per espandere l'uso dei termoelettrici per i dispositivi indossabili".

Finora, i dispositivi sono stati stampati su carta comune, ma i ricercatori hanno iniziato a esplorare l'uso dei tessuti. Sia la carta che il tessuto sono flessibili, ma il tessuto potrebbe essere facilmente integrato nell'abbigliamento.

"Vogliamo integrare il nostro dispositivo nei tessuti commerciali che le persone indossano ogni giorno, " ha detto Menon. "Le persone si sentirebbero a proprio agio indossando questi tessuti, ma sarebbero in grado di alimentare qualcosa solo con il calore dei loro corpi."

Con il nuovo design, i ricercatori si aspettano di ottenere abbastanza elettricità per alimentare piccoli sensori, nell'intervallo da microwatt a milliwatt. Sarebbe sufficiente per semplici sensori di frequenza cardiaca, ma non dispositivi più complessi come fitness tracker o smartphone. I generatori potrebbero essere utili anche per integrare le batterie, consentendo ai dispositivi di funzionare per periodi di tempo più lunghi.

Tra le sfide future ci sono la protezione dei generatori dall'umidità e la determinazione della loro vicinanza alla pelle per trasferire l'energia termica, pur rimanendo confortevoli per chi li indossa.

I ricercatori utilizzano materiali di tipo p disponibili in commercio, e stanno lavorando con i chimici della Georgia Tech per sviluppare polimeri di tipo n migliori per le future generazioni di dispositivi in ​​grado di funzionare con piccoli differenziali di temperatura a temperatura ambiente. Il calore corporeo produce differenziali di appena cinque gradi, rispetto ai cento gradi per i generatori utilizzati come parte delle tubazioni e delle linee del vapore.

"Un vantaggio futuro di questa classe di materiale polimerico è il potenziale per un materiale termoelettrico a basso costo e abbondante che avrebbe una conduttività termica intrinsecamente bassa, " ha detto Sì, che dirige il laboratorio nell'ambito della Woodruff School of Mechanical Engineering. "La comunità dell'elettronica organica ha compiuto enormi progressi nella comprensione delle proprietà elettroniche e ottiche dei materiali a base di polimeri. Stiamo basandoci su tale conoscenza per comprendere il trasporto termico e termoelettrico in questi polimeri per consentire la funzionalità di nuovi dispositivi".

Tra le altre prospettive per i materiali in fase di sviluppo ci sono dispositivi di raffreddamento localizzati che invertono il processo, utilizzare l'elettricità per spostare l'energia termica da un lato all'altro di un dispositivo. Raffreddare solo parti del corpo potrebbe fornire la percezione di comfort senza il costo della climatizzazione di grandi spazi, Sì ha detto.