Les nano-ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont développé un «microréseau portable» qui recueille et stocke l’énergie du corps humain pour alimenter de petits appareils électroniques. Il se compose de trois parties principales: des biopiles alimentées par la sueur, des dispositifs alimentés par le mouvement appelés générateurs triboélectriques et des supercondensateurs à stockage d’énergie. Toutes les pièces sont flexibles, lavables et peuvent être sérigraphiées sur les vêtements.
Le microréseau portable utilise l’énergie de la sueur et des mouvements humains pour alimenter une montre-bracelet LCD et un appareil électrochrome. Photo par Lu Yin, UCSD
La technologie, rapportée dans un papier Publié dans Communications de la nature, s’inspire des microgrids communautaires.
«Nous appliquons le concept du microréseau pour créer des systèmes portables alimentés de manière durable, fiable et indépendante», a déclaré le co-premier auteur Lu Yin, titulaire d’un doctorat en nano-ingénierie. étudiant à la UC San Diego Jacobs School of Engineering. «Tout comme un microréseau urbain intègre une variété de sources d’énergie renouvelables locales comme le vent et le solaire, un microréseau portable intègre des dispositifs qui récoltent localement l’énergie de différentes parties du corps, comme la sueur et le mouvement, tout en contenant le stockage d’énergie.»
Le microréseau portable est construit à partir d’une combinaison de pièces électroniques flexibles qui ont été développées par l’équipe de nanobioélectronique du professeur de nanoingénierie de l’UC San Diego, Joseph Wang, qui est le directeur de la Centre des capteurs portables à l’UC San Diego et auteur correspondant de l’étude en cours. Chaque pièce est sérigraphiée sur une chemise et placée de manière à optimiser la quantité d’énergie collectée.
Les biocellules qui récoltent l’énergie de la sueur sont situées à l’intérieur de la chemise au niveau de la poitrine. Des dispositifs qui convertissent l’énergie du mouvement en électricité, appelés générateurs triboélectriques, sont positionnés à l’extérieur de la chemise sur les avant-bras et les côtés du torse près de la taille. Ils récoltent l’énergie du mouvement de balancement des bras contre le torse en marchant ou en courant. Les supercondensateurs à l’extérieur de la chemise sur la poitrine stockent temporairement l’énergie des deux appareils, puis la déchargent pour alimenter de petits appareils électroniques.
La récolte d’énergie à la fois du mouvement et de la transpiration permet au microréseau portable d’alimenter les appareils rapidement et en continu. Les générateurs triboélectriques fournissent de l’énergie immédiatement dès que l’utilisateur commence à bouger, avant de transpirer. Une fois que l’utilisateur commence à transpirer, les biopiles commencent à fournir de l’énergie et continuent de le faire après que l’utilisateur a cessé de bouger.
«Lorsque vous ajoutez ces deux éléments ensemble, ils compensent les lacunes de l’autre», a déclaré Yin. «Ils sont complémentaires et synergiques pour permettre un démarrage rapide et une alimentation continue.» L’ensemble du système démarre deux fois plus vite que les piles à biocarburant seules, et dure trois fois plus longtemps que les générateurs triboélectriques seuls.
Le microréseau portable a été testé sur un sujet au cours de sessions de 30 minutes qui consistaient en 10 minutes d’exercice sur une machine à vélo ou en course, suivies de 20 minutes de repos. Le système était capable d’alimenter une montre-bracelet LCD ou un petit écran électrochrome – un appareil qui change de couleur en réponse à une tension appliquée – tout au long de chaque session de 30 minutes.
Supérieur à la somme de ses parties
Les biopiles sont équipées d’enzymes qui déclenchent un échange d’électrons entre les molécules de lactate et d’oxygène dans la sueur humaine pour générer de l’électricité. L’équipe de Wang a signalé pour la première fois ces vêtements portables qui récupèrent la sueur dans un papier publié en 2013. En collaboration avec des collègues de l’UC San Diego Center for Wearable Sensors, ils mis à jour la technologie pour être extensible et suffisamment puissant pour faire fonctionner de petits appareils électroniques.
Les générateurs triboélectriques sont constitués d’un matériau chargé négativement, placé sur les avant-bras, et d’un matériau chargé positivement, placé sur les côtés du torse. Lorsque les bras se balancent contre le torse pendant la marche ou la course, les matériaux de charge opposée frottent contre chacun et génèrent de l’électricité.
Chaque portable fournit un type d’alimentation différent. Les biopiles fournissent une basse tension continue, tandis que les générateurs triboélectriques fournissent des impulsions de haute tension. Pour que le système alimente des appareils, ces différentes tensions doivent être combinées et régulées en une seule tension stable. C’est là qu’interviennent les supercondensateurs; ils agissent comme un réservoir qui stocke temporairement l’énergie des deux sources d’énergie et peut la décharger au besoin.
Yin a comparé la configuration à un système d’alimentation en eau.
«Imaginez que les piles à biocarburant sont comme un robinet à écoulement lent et que les générateurs triboélectriques sont comme un tuyau qui jette des jets d’eau», a-t-il déclaré. «Les supercondensateurs sont le réservoir dans lequel ils alimentent tous les deux, et vous pouvez puiser dans ce réservoir comme vous le souhaitez.»
Toutes les pièces sont reliées par des interconnexions flexibles en argent qui sont également imprimées sur la chemise et isolées par un revêtement imperméable. Les performances de chaque pièce ne sont pas affectées par le pliage, le pliage et le froissement répétés ou le lavage à l’eau – tant qu’aucun détergent n’est utilisé.
La principale innovation de ce travail ne réside pas dans les appareils portables eux-mêmes, a déclaré Yin, mais dans l’intégration systématique et efficace de tous les appareils.
«Nous ne nous contentons pas d’ajouter A et B ensemble et de l’appeler un système. Nous avons choisi des pièces qui ont toutes des facteurs de forme compatibles (tout ici est imprimable, flexible et extensible); performance correspondante; et des fonctionnalités complémentaires, ce qui signifie qu’ils sont tous utiles pour le même scénario (dans ce cas, un mouvement rigoureux) », a-t-il déclaré.
Autres applications
Ce système particulier est utile pour l’athlétisme et d’autres cas où l’utilisateur fait de l’exercice. Mais ce n’est qu’un exemple de la façon dont le microréseau portable peut être utilisé. «Nous ne nous limitons pas à cette conception. Nous pouvons adapter le système en sélectionnant différents types de collecteurs d’énergie pour différents scénarios », a déclaré Yin.
Les chercheurs travaillent sur d’autres conceptions qui peuvent récolter de l’énergie pendant que l’utilisateur est assis à l’intérieur d’un bureau, par exemple, ou se déplace lentement à l’extérieur.
La source: UC San Diego
