Исследование провели Дипак Бхарти, доцент кафедры электроники и коммуникационной инженерии Национального технологического института Малавии, и аспирант Манас Тивари. Результаты опубликованы в IEEE Sensors Letters.
Разработанный элемент относится к классу трибоэлектрических наногенераторов (TENG). Такие устройства преобразуют механическую энергию — движение, вибрации, давление или периодический контакт поверхностей — в электрический сигнал за счёт контактной электрификации и электростатической индукции.
Конструкция исследователей состоит из чесночной кожуры и листа полиэтилена. Материалы обладают различной склонностью к приобретению электрического заряда при контакте и разделении. Когда поверхности соприкасаются, а затем расходятся, возникает электрический потенциал, который можно использовать одновременно для регистрации механического воздействия и получения небольшого количества электроэнергии.
Выбор чесночной кожуры оказался не случайным. По словам Бхарти, это широко распространённый биоотход, который практически не используется повторно. Материал лёгкий, биоразлагаемый и доступный в больших количествах. Кроме того, его естественная слоистая и текстурированная структура может способствовать контактной электрификации.
Ранее исследователи изучали возможность применения других растительных отходов в трибоэлектрических устройствах, в том числе арахисовой кожуры и сухих остатков сахарного тростника. В новой работе они решили проверить, сможет ли аналогичную функцию выполнять чесночная кожура.
Для изготовления активного слоя кожуру измельчали и размещали на полиэтилене. В экспериментальной конфигурации с одним слоем чесночной кожуры устройство генерировало напряжение порядка 210 В в замкнутой цепи при очень небольшом токе — около 45 мкА. Заявленная плотность мощности достигала 2,16 Вт/м².
Добавление второго слоя чесночной кожуры увеличивало выходные характеристики примерно до 400 В и 65 мкА. Такое сочетание относительно высокого напряжения и очень небольшого тока характерно для трибоэлектрических наногенераторов. Поэтому подобные устройства особенно интересны не как замена обычным источникам питания, а как элементы маломощных сенсорных систем и устройств сбора энергии.
Одним из наиболее интересных результатов эксперимента стала стабильность материала. По словам исследователей, устройство сохраняло работоспособность после шести месяцев хранения и выдерживало 200 циклов механической нагрузки. Для биоразлагаемого материала это особенно важно: исследователи стремятся показать, что растительные отходы могут использоваться не только как лабораторный эксперимент, но и как функциональный материал для электронных устройств.
Затем учёные интегрировали разработанный TENG в систему домашней безопасности. Датчик разместили между верхней частью двери и дверной коробкой. В закрытом состоянии слои чесночной кожуры и полиэтилена находятся в контакте. При открывании двери поверхности разделяются, что вызывает электрический импульс.
Полученный сигнал поступает на микроконтроллер и далее на Bluetooth-модуль. Тот передаёт информацию на смартфон с разработанным исследователями приложением для Android. Приложение формирует голосовое уведомление о том, что дверь открыта.
В ходе 50 испытаний система правильно определяла факт открытия двери в 92% случаев. При этом сам трибоэлектрический датчик не нуждался во внешнем источнике питания для формирования сигнала. Однако микроконтроллер и Bluetooth-модуль в демонстрационном прототипе питались от внешнего пауэрбанка. Поэтому говорить о полностью автономной системе безопасности пока преждевременно: автономным в представленном эксперименте является прежде всего сенсорный элемент.
Исследователи обнаружили ещё одну закономерность, которую намерены изучить подробнее. Второй слой чесночной кожуры существенно увеличивал электрический выход, однако дальнейшее увеличение количества слоёв уже не приводило к пропорциональному росту характеристик. Это указывает на существование оптимальной конфигурации конструкции, при которой добавление нового активного слоя перестаёт давать заметный выигрыш.
Бхарти и Тивари планируют продолжить исследование этого эффекта и проверить другие виды биоотходов в качестве трибоэлектрических материалов. Потенциальная ценность такого подхода заключается не столько в возможности заменить батарейку чесночной кожурой, сколько в создании дешёвых сенсоров, которые одновременно используют механическое воздействие как источник электрического сигнала и позволяют сократить количество синтетических материалов в конструкции.
И всё же возникает интересный вопрос: если для регистрации открытия двери достаточно буквально отходов пищевого производства, зачем вообще делать такие датчики из сложных синтетических материалов? Возможно, будущее распределённых сенсорных сетей действительно связано не с ещё более сложной электроникой, а с максимально простыми и практически бесплатными материалами. А что об этом думаете вы?
Источник: https://spectrum.ieee.org/garlic-peel-biowaste-sensor?itm_source=homepage&itm_medium=hero&am...Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
