Инженерам удалось извлечь энергию из бега хомяка

Домашний хомяк теперь не только любимый питомец, но и источник электроэнергии. Инженеры одели животное в курточку со встроенным наногенератором. И теперь питомец не просто бегает в колесе, а вырабатывает ток.

Солнце, волны, приливы и отливы, ветер -- вот далеко не полный список возобновляемых источников энергии. Хотя солнечные батареи, ветрогенераторы и гидроэлектростанции уже широко используются, да и активные разработки в этих областях продолжаются, не останавливается и поиск других, менее очевидных источников. Так, например, инженеры активно применяют в качестве источника тока разного рода механические движения. Причем интерес вызывают как макрообъекты, так и совсем крохотные источники энергии.

Наномеханика Жон Линь Вана

Группа наноисследований профессора Жон Линь Вана из Школы материаловедения и инженерии Института технологий Джорджии (School of Materials Science & Engineering Georgia Institute of Technology) уже не первый год работает над микро- и наногенераторами для преобразования механической энергии в электрическую. И команда эта, пожалуй, дальше всего продвинулась в этой области.

Так, например, несколько месяцев назад им, наконец, удалось создать генератор тока на основе пьезоэлектрического оксида цинка. Принцип его работы базировался на пьезоэлектрическом эффекте -- возникновении электрического тока в диэлектрике при его механической деформации.

Однако тогда электромеханические испытания проводились с использованием специально созданного манипулятора, который с различной скоростью деформировал генератор. Инженерам удалось получить ток с напряжением в 45 мВ на модельном монопроволочном генераторе. То есть рабочее пьезокристаллическое волокно было только одно. Но уже тогда Жон Линь Ван говорил, что в их силах увеличить мощность генератора, если они соединят пьезокристаллические элементы в серию. А также о том, что генератор уже фактически готов для использования на реальных объектах -- движущихся или пульсирующих частях живых организмов.

Реализация идей не заставила себя долго ждать. Результаты своей последней работы профессор Ван и его коллеги опубликовали в журнале Nano Letters.

Им удалось соединить нано- и субмикроволокна оксида цинка в серии по четыре штуки. Между собой и с внешней электрической цепью они соединялись с помощью серебряных контактов. Устройство сработало. Впрочем, особенных сомнений эта схема и не вызывала.

Живые испытания

Но главное -- ученым удалось испытать свое устройство на живых объектах. Сначала они прикрепили пластинку с закрепленным на ее поверхности одиночным генератором поверх сустава указательного пальца человека. Барабаня пальцем по столу, испытуемый вырабатывал переменный ток. Правда, его максимальное напряжение оказалось всего 20--25 мВ. То есть меньше, чем при использовании механического манипулятора.

Еще интереснее они поступили с «серийным» генератором из четырех пьезоэлектрических проводков. Ученые прикрепили его к крохотной курточке и надели ее на хомяка. Бегая в колесе, грызун работал своими крохотными мускулами. При их сокращении гибкая пластинка, закрепленная на плотной курточке, деформировалась, вызывая тем самым деформацию пьезоэлектрических волокон, а значит, и электрическое напряжения на их концах.

Ток, вырабатываемый хомяком, тоже оказался небольшим -- всего 100--150 мВ. Зато когда грызун просто почесывался или чистился, ток также вырабатывался, хоть и примерно в десять раз меньше.

Подобные модельные устройства создавались и в других группах. Однако они могли использовать только регулярные движения, производимые с определенной частотой. Прибор от группы Вана таких ограничений не имеет. И в этом его преимущество, ведь большинство движений организма -- будь то прогулочная походка, размахивание руками, дыхание и даже сердцебиение -- не имеют постоянных амплитуды и периода.

Наномакроперспективы

Профессор Ван надеется, что если еще увеличить количество рабочих нанопроволочек в серии, вырастет и напряжение и мощность производимой электроэнергии. Сейчас мощность составляет лишь около 1 нановатт. Если удастся достичь микроватта, то это откроет широкие перспективы для применения таких интересных объектов, как имплантируемые наносенсоры. Они могут вводиться под кожу и постоянно замерять содержание различных токсинов, сахара у диабетиков, а также белков, присутствие которых может свидетельствовать о наличии раковых заболеваний. Однако одна из причин, по которым тормозится внедрение таких сенсоров, -- отсутствие подходящих источников тока. По размеру близких к самим сенсорам и долгоживущих, которых не придется часто извлекать и заменять хирургическим путем.

Это одно из направлений, в котором может пойти разработка наногенераторов. Есть и другое. Профессор Ван, например, уверен, что в ближайшие пять-десять лет удастся сильно повысить КПД таких устройств, а значит, и их мощность. Так что пьезоэлектрические волокна уже на фабриках будут вплетаться в ткани, из которых будут шиться куртки. Только не для хомяков, а для человека. От таких курток их владельцы смогут подзаряжать свои портативные электронные устройства.