La maglietta che produce energia e può alimentare i nostri smartphone

L'università di San Diego (California) ha messo a punto una "griglia indossabile" che raccoglie e immagazzina energia del corpo umano per alimentare piccoli dispositivi elettronici
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I nanoingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato una "microgriglia indossabile" che raccoglie e immagazzina energia dal corpo umano per alimentare piccoli dispositivi elettronici. Si compone di tre parti principali: celle a biocarburante alimentate dal sudore, dispositivi azionati dal movimento chiamati generatori triboelettrici (L'effetto triboelettrico è un fenomeno elettrico che consiste nel trasferimento di cariche elettriche, e quindi nella generazione di una tensione, tra materiali diversi, di cui almeno uno isolante quando vengono strofinati tra di loro) e supercondensatori ad accumulo di energia. Tutte le parti sono flessibili, lavabili e possono essere serigrafate sugli indumenti.

"Stiamo applicando il concetto di microgrid per creare sistemi indossabili che sono alimentati in modo sostenibile, affidabile e indipendente", ha spiegato Lu Yin, docente di nanoingegneria.  "Proprio come una griglia cittadina integra una varietà di fonti di energia rinnovabili locali come il vento e il solare, una microgriglia indossabile integra dispositivi che raccolgono energia localmente da diverse parti del corpo, come il sudore e il movimento, contenendo allo stesso tempo l'accumulo di energia".
 

La microgriglia indossabile è costituita da una combinazione di parti elettroniche flessibili che sono state sviluppate dal team di Nanobioelectronics del professore di nanoingegneria dell'UC San Diego Joseph Wang, che è il direttore del Center for Wearable Sensors presso l'UC San Diego e autore dello studio. Ogni parte è serigrafata su una maglietta e posizionata in modo da ottimizzare la quantità di energia raccolta.

Le cellule di biocarburante che raccolgono energia dal sudore si trovano all'interno della maglietta sul petto. I dispositivi che convertono l'energia dal movimento in elettricità, chiamati generatori triboelettrici, sono posizionati all'esterno della maglietta sugli avambracci e sui lati del busto vicino alla vita. Raccolgono energia dal movimento oscillante delle braccia contro il busto mentre camminano o corrono. I super condensatori all'esterno della maglietta sul petto immagazzinano temporaneamente energia da entrambi i dispositivi e poi la scaricano per alimentare piccoli dispositivi elettronici.
 

La raccolta di energia sia dal movimento che dal sudore consente alla microgriglia indossabile di alimentare i dispositivi in modo rapido e continuo. I generatori triboelettrici forniscono energia non appena l'utente inizia a muoversi, anche prima di sudare. Una volta che l'utente inizia a sudare, le cellule di biocarburanti iniziano a fornire energia e continuano a farlo anche dopo che l'utente smette di muoversi.

"Quando si sommano questi due sistemi, si compensano i difetti l'uno dell'altro", ha detto Yin. "Sono complementari e sinergici per consentire un avvio rapido e una potenza continua". L'intero sistema si avvia due volte più velocemente rispetto alle sole celle a biocarburante e dura tre volte più a lungo dei soli generatori triboelettrici.

La microgriglia indossabile è stata testata su un soggetto durante sessioni di 30 minuti che consistevano in 10 minuti di esercizio su una cyclette o corsa, seguiti da 20 minuti di riposo. Il sistema è stato in grado di alimentare un orologio da polso LCD o un piccolo display elettrocromico - un dispositivo che cambia colore in risposta a una tensione applicata - durante ogni sessione di 30 minuti.
 

Le cellule di biocarburanti sono dotate di enzimi che attivano uno scambio di elettroni tra le molecole di lattato e ossigeno nel sudore umano per generare elettricità. La squadra di Wang ha segnalato per la prima volta questi dispositivi indossabili che raccolgono il sudore in un documento pubblicato nel 2013. Lavorando con i colleghi del Centro per i sensori indossabili della UC San Diego, hanno successivamente aggiornato la tecnologia per renderla elastica e abbastanza potente da far funzionare piccoli dispositivi elettronici.
 

I generatori triboelettrici sono costituiti da un materiale a carica negativa, posto sugli avambracci, e da un materiale a carica positiva, posto ai lati del busto. Mentre le braccia oscillano contro il busto mentre si cammina o si corre, i materiali caricati in modo opposto sfregano l'uno contro l'altro e così generano elettricità, come si potrebbe ottenere sfregando due materiali elettrosensibili.
 

Ogni tipo di indossabile fornisce un diverso metodo di alimentazione. Le celle a biocarburante forniscono una bassa tensione continua, mentre i generatori triboelettrici forniscono impulsi di alta tensione. Affinché il sistema possa alimentare i dispositivi, queste diverse tensioni devono essere combinate e regolate in una tensione stabile. È qui che entrano in gioco i super condensatori; agiscono come un serbatoio che immagazzina temporaneamente l'energia da entrambe le fonti di alimentazione e può scaricarla secondo necessità.
 

Yin ha paragonato la configurazione a un sistema di approvvigionamento idrico. "Immaginiamo che le celle a biocarburante siano come un rubinetto che scorre lento e i generatori triboelettrici siano come un tubo che emette getti d'acqua", ha detto. "I super condensatori sono il serbatoio in cui alimentano entrambi e puoi attingere da quel serbatoio come si preferisce".

Tutte le parti sono collegate con interconnessioni d'argento flessibili che sono anche stampate sulla maglietta e isolate da un rivestimento impermeabile. Le prestazioni di ciascuna parte non sono influenzate da ripetute piegature o lavaggi in acqua, a condizione che non venga utilizzato alcun detergente.
 

La principale innovazione di questo lavoro non sono i dispositivi indossabili stessi, ha detto Yin, ma l'integrazione sistematica ed efficiente di tutti i dispositivi. "Non stiamo solo aggiungendo A e B insieme e definendolo un sistema. Abbiamo scelto parti che hanno tutti fattori di forma compatibili (tutto qui è stampabile, flessibile ed estensibile); prestazioni corrispondenti e funzionalità complementari, il che significa che sono tutte utili per lo stesso scenario (in questo caso, il movimento)", ha spiegato.
 

Questo particolare sistema è utile per l'atletica e altri casi in cui l'utente si sta esercitando. Ma questo è solo un esempio di come può essere utilizzata la microgrid indossabile. "Non ci stiamo limitando a questo progetto. Possiamo adattare il sistema selezionando diversi tipi di raccoglitori di energia per diversi scenari", ha detto Yin.
 

I ricercatori stanno lavorando ad altri progetti in grado di raccogliere energia mentre l'utente è seduto all'interno di un ufficio, ad esempio, o si muove lentamente all'esterno.