Многие носимые биосенсоры, передатчики данных и аналогичные технические достижения для персонализированного мониторинга здоровья теперь «творчески миниатюризированы», говорит химик по материалам Триша Эндрю из Массачусетского университета в Амхерсте, но они требуют много энергии, а источники питания могут быть громоздкими и тяжелыми , Теперь она и ее доктор философии студент Линден Аллисон сообщает, что они разработали ткань, которая может собирать тепло тела для питания небольшой носимой микроэлектроники, такой как трекеры активности.

В своем раннем онлайн-издании Advanced Materials Technologies Эндрю и Эллисон объясняют, что теоретически тепло тела может производить энергию, используя разницу между температурой тела и окружающим более холодным воздухом, что является «термоэлектрическим» эффектом. Таким образом, материалы с высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью могут перемещать электрический заряд из теплой области в более холодную область.

Некоторые исследования показали, что небольшое количество энергии может быть получено из человеческого тела в течение восьмичасового рабочего дня, но специальные материалы, необходимые в настоящее время, либо очень дороги, токсичны или неэффективны, отмечают они. Эндрю говорит: «Мы разработали способ недорогой биосовместимой, гибкой и легкой полимерной пленки с паровой печатью, изготовленной из обильных повседневных материалов, на хлопчатобумажные ткани, обладающие достаточно высокими термоэлектрическими свойствами для получения достаточно высокого теплового напряжения, достаточного для питания небольшого устройство «.

Для этой работы исследователи воспользовались естественными низкими теплопередающими свойствами шерсти и хлопка для создания термоэлектрических предметов одежды, которые могут поддерживать градиент температуры на электронном устройстве, известном как термобатарея, который преобразует тепло в электрическую энергию даже в течение длительных периодов непрерывного действия. носить. Эндрю отмечает, что это практическое соображение для обеспечения того, чтобы проводящий материал со временем становился электрически, механически и термически стабильным.

«По сути, мы использовали основное изолирующее свойство тканей для решения давней проблемы в сообществе устройств», — резюмируют она и Эллисон. «Мы считаем, что эта работа будет интересна для инженеров-устройств, которые стремятся исследовать новые источники энергии для носимой электроники, и дизайнеров, заинтересованных в создании умной одежды».

В частности, они создали общероссийскую ткани термоэлемент с помощью паровой печати полимера способствующего известный как настойчиво р-легированного поли (3,4-этилендиокситиофен) (ПЭДОТ-Cl) на один тугое-переплетение и одной среднего переплетение формы коммерческой хлопчатобумажной ткани , Затем они интегрировали эту термобатарею в специально сконструированную, пригодную для носки полосу, которая при ношении на руке создает тепловые напряжения, превышающие 20 милливольт.

Исследователи проверили долговечность покрытия PEDOT-CI путем протирания или стирки тканей с покрытием в теплой воде и оценили характеристики с помощью сканирующей электронной микрофотографии, которая показала, что покрытие «не растрескивалось, не расслаивалось и не стиралось механически при стирке или истирании, подтверждая, что механическая прочность PEDOT-CI с паровой печатью. »

Они измерили удельную электропроводность покрытий с помощью изготовленного на заказ зонда и обнаружили, что более мягкий хлопок продемонстрировал более высокую проводимость, чем более плотный материал. Проводимость обеих тканей «практически не изменилась после трения и стирки», добавляют они.

Используя тепловизор, они установили, что запястье, ладонь и плечи добровольцев излучали наибольшее тепло, поэтому Эндрю и Эллисон изготовили эластичные вязаные полосы из термоэлектрической ткани, которые можно носить в этих местах. Воздействующая на воздух внешняя сторона ленты изолирована от тепла тела толщиной пряжи, в то время как только непокрытая сторона термобатареи контактирует с кожей, чтобы уменьшить риск аллергической реакции на PEDOT-CI, отмечают они.

Исследователи отмечают, что потоотделение значительно увеличивало выходное напряжение растягивающейся повязки, что неудивительно, поскольку влажный хлопок, как известно, является лучшим проводником тепла, чем сухие ткани, отмечают они. Они смогли отключить передачу тепла по желанию, вставив теплоотражающий пластиковый слой между кожей пользователя и лентой.

В целом, они говорят: «Мы показываем, что процесс покрытия реактивным паром создает механически прочные тканевые термобатареи» с «заметно высокими коэффициентами термоэлектрической мощности» при низких перепадах температур по сравнению с традиционными устройствами. «Кроме того, мы описываем лучшие практики естественной интеграции термобатарей в одежду, которые позволяют поддерживать значительные температурные градиенты по всей термобатареи, несмотря на постоянный износ».