Американські вчені розробили розумну куртку, в якій поєднуються два види отримання електроенергії з людського тіла. Трибоелектричний генератор виробляє електрику за рахунок тертя, коли людина рухається, а біопаливний елемент, який працює на поту людини, - навіть після того, як рух припинився. За десять хвилин швидкої ходьби така куртка запасає енергію, якої достатньо, щоб живити рідкокристалічний дисплей протягом тридцяти хвилин. Результати дослідження опубліковані в журналі
Одяг з вбудованими електронними пристроями вже давно перестав сприйматися як предмет з фантастичних фільмів, хоча серійно випущені пристрої все ще рідкісні. Наприклад, Google і levi's випустили розумну куртку, яка дозволяє керувати смартфоном, торкаючись до рукава. У Nokia розробили куртку для рятувальників, яка оснащена термометром, пульсометром і GPS-трекером, дані з яких відображаються на вбудованому екрані і відсилаються на станцію для спостереження за рятувальником у реальному часі. Однак, у розумного одягу є слабке місце - заряджати його від мережі не завжди зручно, а акумулятори можуть робити його більш важкою і незручною в шкарпетці. Тому вчені шукають для розумних курток і штанів альтернативні способи підзарядки. Для цього можна використовувати гнучкі сонячні елементи, трибоелектричні генератори, які працюють від тертя, а також мініатюрні біопаливні комірки, в яких електрика виробляється за рахунок окислення компонентів людського поту і сліз.
Американські матеріалознавці під керівництвом Джозефа Ванга (Joseph Wang) з Університету Сан Дієго розробили розумну куртку, в якій електрика генерується двома способами одночасно. Вчені хотіли зробити куртку, яка працює незалежно від зовнішніх умов, і навмисно не стали використовувати гнучкі сонячні елементи, адже їх ефективність залежить від освітленості і різко падає в погану погоду або в темний час доби. Замість цього вони поклалися на два типи пристроїв, робота яких цілком визначається активністю людини - трибоелектричні генератори і мініатюрні біопаливні осередки. Крім того на куртці розташували компактні та легкі суперконденсатори, які допомагають запасати надлишок енергії.
За отримання електроенергії з механічної енергії рухів людини відповідають два трибоелектричних генератори. Кожен генератор складається з двох частин - непідвидвжні частини з політетрафлюроетилену (PTFE) розташовуються на боках куртки, а рухливі з композиту етилцелюлози з поліуретаном (EC-PU) - на внутрішніх частинах рукавів куртки. Коли людина йде або біжить, рухлива і нерухома частини труться один про одного, і в PTFE накопичуються негативні заряди, а в EC-PU - позитивні. Автори роботи зібрали трибоелектричний генератор, який може працювати при частоті від 0,833 герца - з такою частотою труться частини генератора під час неспішної ходьби. Крім того, обидві частини генератора протестували на механічну міцність - їх зминали в довільних напрямках по 100 разів, щоб переконатися, що ефективність отримання електроенергії не знижується.
Біопаливні осередки автори роботи розмістили на грудях куртки, а для збору поту додали на шкіру в області прилеглої тканини гідрогель на основі полівінілацетату. Робота таких елементів заснована на окисленні лактат-іонів з поту за допомогою ферменту лактат-оксидази, який наносять на анод. На катоді при цьому відбувається відновлення кисню під дією іншого ферменту - білірубіноксидази.
Суперконденсатори на основі вуглецевих нанотрубок і полімеру PEDOT:PSS також розташували на грудях куртки. Всі використовувані модулі були надруковані за допомогою застигаючих полімерних чорнил на підкладці з текстилю, а для їх з'єднання використовували срібний провідник в полімерній оболонці. Частини розумної куртки складаються з нетоксичних сполук, тому навіть при її пошкодженні здоров'ю людини ніщо не загрожує.
Згідно з задумом авторів, два способи отримання електроенергії доповнюють один одного. Трибоелектричний генератор працює тільки в той час, коли людина рухається. Біопаливний елемент включається в роботу трохи пізніше, у міру накопичення поту на шкірі, зате отримання електроенергії триває і після того, як людина зупинилася. Використовуючи два генератори разом можна домогтися безперервного вироблення електроенергії. В результаті за десять хвилин швидкої ходьби (з частотою тертя 1,5 герца) розумна куртка може запасти електроенергію, якої достатньо для живлення рідкокристалічного дисплея протягом 30 хвилин.
Ще один спосіб отримання електроенергії в носимих пристроях - термоелектричні генератори. Такі генератори не дуже добре підходять для одягу - щоб тепло не губилося, їх зазвичай приклеюють прямо до шкіри - а ще часто бувають крихкими, і можуть зламатися, коли людина здійснює різкі рухи. Китайські вчені зуміли вирішити цю проблему і створили гнучкий термоелектричний генератор з ефектом самовстановлення. Напівпровідникові пластини в такому генераторі розташовані на підкладці з поліаміну, а проводку зроблено з рідкого сплаву галію з індієм. Пристрій можна згинати і ламати - після повернення у вихідне положення, він відновлює свою провідність миттєво, а механічна пружність повертається до початкових значень ще через півтори години.