Met behulp van flexibele geleidende polymeren en nieuwe circuitpatronen gedrukt op papier, onderzoekers hebben proof-of-concept draagbare thermo-elektrische generatoren gedemonstreerd die energie uit lichaamswarmte kunnen halen om eenvoudige biosensoren aan te drijven voor het meten van de hartslag, ademhaling of andere factoren.

Vanwege hun symmetrische fractale bedradingspatronen, de apparaten kunnen op de maat worden gesneden die nodig is om te voorzien in de spannings- en stroomvereisten voor specifieke toepassingen. De modulaire generatoren kunnen met inkjet worden geprint op flexibele substraten, inclusief stof, en vervaardigd met behulp van goedkope roll-to-roll-technieken.

"De aantrekkingskracht van thermo-elektrische generatoren is dat er overal om ons heen warmte is, " zei Akanksha Menon, een doctoraat student aan de Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Als we een klein beetje van die warmte kunnen benutten en het goedkoop in elektriciteit kunnen omzetten, er is grote waarde. We werken aan hoe we elektriciteit kunnen produceren met warmte van het lichaam."

Het onderzoek, ondersteund door PepsiCo, Inc. en het Air Force Office of Scientific Research, werd online gemeld in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde op 28 sept.

Thermo-elektrische generatoren, die thermische energie direct omzetten in elektriciteit, al tientallen jaren verkrijgbaar, maar standaardontwerpen gebruiken inflexibele anorganische materialen die te giftig zijn voor gebruik in draagbare apparaten. Het vermogen is afhankelijk van het temperatuurverschil dat kan worden gecreëerd tussen twee zijden van de generatoren, wat het een uitdaging maakt om afhankelijk te zijn van lichaamswarmte. Het verkrijgen van voldoende thermische energie uit een klein contactgebied op de huid verhoogt de uitdaging, en interne weerstand in het apparaat beperkt uiteindelijk het uitgangsvermogen.

Om dat te overwinnen, Menon en medewerkers in het laboratorium van assistent-professor Shannon Yee ontwierpen een apparaat met duizenden stippen, samengesteld uit afwisselend p-type en n-type polymeren in een dicht opeengepakte lay-out. Hun patroon zet meer warmte om per oppervlakte-eenheid dankzij de grote verpakkingsdichtheden die mogelijk worden gemaakt door inkjetprinters. Door de polymeerstippen dichter bij elkaar te plaatsen, de lengte van de verbinding neemt af, wat op zijn beurt de totale weerstand verlaagt en resulteert in een hoger uitgangsvermogen van het apparaat.

"In plaats van de polymere stippen te verbinden met een traditioneel kronkelig bedradingspatroon, we gebruiken bedradingspatronen op basis van ruimtevullende curven, zoals het Hilbert-patroon - een continue ruimtevullende curve, " zei Kiarash Gordiz, een co-auteur die aan het project werkte terwijl hij een Ph.D. student aan Georgia Tech. "Het voordeel hier is dat Hilbert-patronen oppervlakteconformatie en zelflokalisatie mogelijk maken, wat zorgt voor een meer uniforme temperatuur over het hele apparaat."

Het nieuwe circuitontwerp heeft nog een ander voordeel:dankzij het fractaal symmetrische ontwerp kunnen de modules langs de grenzen tussen symmetrische gebieden worden gesneden om precies de spanning en het vermogen te leveren die nodig zijn voor een specifieke toepassing. Dat elimineert de noodzaak voor stroomomvormers die complexiteit toevoegen en stroom uit het systeem halen.

"Dit is waardevol in de context van wearables, waar je zo min mogelijk componenten wilt, "zei Menon. "We denken dat dit een heel interessante manier zou kunnen zijn om het gebruik van thermo-elektriciteit voor draagbare apparaten uit te breiden."

Tot dusver, de apparaten zijn gedrukt op gewoon papier, maar de onderzoekers zijn begonnen met het verkennen van het gebruik van stoffen. Zowel papier als stof zijn flexibel, maar de stof kon gemakkelijk in kleding worden geïntegreerd.

"We willen ons apparaat integreren in het commerciële textiel dat mensen elke dag dragen, "zei Menon. "Mensen zouden zich op hun gemak voelen bij het dragen van deze stoffen, maar ze zouden in staat zijn iets aan te drijven met alleen de warmte van hun lichaam."

Met het nieuwe ontwerp, de onderzoekers verwachten genoeg elektriciteit te krijgen om kleine sensoren van stroom te voorzien, in het bereik van microwatt tot milliwatt. Dat zou genoeg zijn voor eenvoudige hartslagsensoren, maar geen complexere apparaten zoals fitnesstrackers of smartphones. De generatoren kunnen ook nuttig zijn als aanvulling op batterijen, waardoor apparaten voor langere tijd kunnen werken.

Een van de uitdagingen die voor ons liggen, is het beschermen van de generatoren tegen vocht en het bepalen hoe dicht ze bij de huid moeten zijn om thermische energie over te dragen - terwijl ze comfortabel blijven voor de dragers.

De onderzoekers gebruiken commercieel verkrijgbare p-type materialen, en werken samen met chemici van Georgia Tech om betere n-type polymeren te ontwikkelen voor toekomstige generaties apparaten die kunnen werken met kleine temperatuurverschillen bij kamertemperatuur. Lichaamswarmte produceert verschillen zo klein als vijf graden, vergeleken met honderd graden voor generatoren die worden gebruikt als onderdeel van leidingen en stoomleidingen.

"Een toekomstig voordeel van deze klasse polymeermateriaal is het potentieel voor een goedkoop en overvloedig thermo-elektrisch materiaal dat een inherent lage thermische geleidbaarheid zou hebben, " zei Jee, die het lab leidt als onderdeel van de Woodruff School of Mechanical Engineering. "De organische elektronicagemeenschap heeft enorme vooruitgang geboekt bij het begrijpen van elektronische en optische eigenschappen van op polymeren gebaseerde materialen. We bouwen voort op die kennis om thermisch en thermo-elektrisch transport in deze polymeren te begrijpen om nieuwe apparaatfunctionaliteit mogelijk te maken."

Een van de andere vooruitzichten voor de materialen die worden ontwikkeld, zijn gelokaliseerde koelapparaten die het proces omkeren, elektriciteit gebruiken om thermische energie van de ene kant van een apparaat naar de andere te verplaatsen. Het koelen van slechts delen van het lichaam zou de perceptie van comfort kunnen bieden zonder de kosten van airconditioning in grote ruimtes, zei je.