Cosecha de energía del calor del cuerpo, monitor de la salud

Nuevo diseño de circuitos impulsa generadores termoeléctricos.

La conductividad eléctrica se mide para una película de polímero termoeléctrico en el laboratorio de Shannon Yee en el Georgia Institute of Technology.

Crédito: Candler Hobbs, Georgia Tech.

Utilizando polímeros conductores flexibles y patrones de circuitos nuevos impresos en papel, los investigadores han demostrado generadores termoeléctricos portátiles de prueba de concepto que pueden recolectar energía del calor del cuerpo para alimentar biosensores simples para medir la frecuencia cardíaca, la respiración u otros factores.

Debido a sus patrones de cableado simétrico fractal, los dispositivos se pueden cortar al tamaño necesario para proporcionar los requisitos de voltaje y potencia para aplicaciones específicas. Los generadores modulares podrían ser impresos por chorro de tinta sobre sustratos flexibles, incluyendo tela, y fabricados usando técnicas de rodillo a rollo de bajo costo.

"La atracción de los generadores termoeléctricos es que hay calor alrededor de nosotros", dijo Akanksha Menon, un doctorado. estudiante en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Si podemos aprovechar un poco de ese calor y convertirlo en electricidad de bajo costo, hay un gran valor. Estamos trabajando en la forma de producir electricidad con el calor del cuerpo".

La investigación, apoyada por PepsiCo, Inc. y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, fue reportada en línea en el Journal of Applied Physics el 28 de septiembre.

Los generadores termoeléctricos, que convierten la energía térmica directamente en electricidad, han estado disponibles durante décadas, pero los diseños estándar utilizan materiales inorgánicos inflexibles que son demasiado tóxicos para su uso en dispositivos portátiles. La potencia de salida depende de la diferencia de temperatura que se puede crear entre dos lados de los generadores, lo que hace depender del calor del cuerpo desafiante. Obtener suficiente energía térmica de un pequeño área de contacto en la piel aumenta el desafío, y la resistencia interna en el dispositivo en última instancia, limita la potencia de salida.

Para superar eso, Menon y colaboradores en el laboratorio del Profesor Asistente Shannon Yee diseñaron un dispositivo con miles de puntos compuestos de polímeros alternos de tipo p y tipo n en un diseño estrechamente empaquetado. Su patrón convierte más calor por unidad de área debido a las grandes densidades de empaque habilitadas por las impresoras de chorro de tinta. Colocando los puntos del polímero más cerca juntos, la longitud de la interconexión disminuye, que a su vez baja la resistencia total y da lugar a una salida de energía más alta del dispositivo.

"En lugar de conectar los puntos de polímero con un patrón de cableado serpentino tradicional, estamos utilizando patrones de cableado basados ​​en curvas de llenado de espacio, como el patrón de Hilbert - una curva continua de llenado de espacio", dijo Kiarash Gordiz, coautor que trabajó en el proyecto mientras era doctorado. estudiante en Georgia Tech. "La ventaja aquí es que los patrones de Hilbert permiten la conformación superficial y la auto-localización, lo que proporciona una temperatura más uniforme a través del dispositivo".

El nuevo diseño del circuito también tiene otro beneficio: su diseño fractally simétrico permite que los módulos sean cortados a lo largo de los límites entre las áreas simétricas para proporcionar exactamente la tensión y la energía necesarias para una aplicación específica. Eso elimina la necesidad de convertidores de energía que agregan complejidad y quitan el poder del sistema.

"Esto es valioso en el contexto de los wearables, en donde usted quiere tan pocos componentes como sea posible," dijo Menon. "Creemos que esto podría ser una manera realmente interesante de expandir el uso de termoeléctricas para dispositivos portátiles".

Hasta ahora, los dispositivos han sido impresos en papel ordinario, pero los investigadores han comenzado a explorar el uso de telas. Tanto el papel como el tejido son flexibles, pero el tejido se puede integrar fácilmente en la ropa.

"Queremos integrar nuestro dispositivo en los textiles comerciales que la gente usa todos los días", dijo Menon. "La gente se sentiría cómoda usando estas telas, pero podrían alimentar algo con sólo el calor de sus cuerpos".

Con el nuevo diseño, los investigadores esperan obtener suficiente electricidad para alimentar pequeños sensores, en el rango de microwatts a milivatios. Eso sería suficiente para los sensores de ritmo cardíaco simple, pero no los dispositivos más complejos como los rastreadores de la aptitud o los teléfonos inteligentes. Los generadores también podrían ser útiles para complementar las baterías, permitiendo que los dispositivos funcionen durante períodos de tiempo más largos.

Entre los retos por delante están la protección de los generadores de la humedad y la determinación de lo cerca que deben estar de la piel para transferir energía térmica - mientras permanecen cómodos para los usuarios.

Los investigadores usan materiales p disponibles comercialmente y están trabajando con químicos en Georgia Tech para desarrollar mejores polímeros de tipo n para futuras generaciones de dispositivos que pueden operar con pequeñas diferencias de temperatura a temperatura ambiente. El calor corporal produce diferenciales tan pequeños como cinco grados, en comparación con los cien grados para los generadores utilizados como parte de tuberías y líneas de vapor.

"Un beneficio futuro de esta clase de material polimérico es el potencial de un material termoeléctrico de bajo costo y abundante que tendría una conductividad térmica inherentemente baja", dijo Yee, quien dirige el laboratorio como parte de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff. "La comunidad de la electrónica orgánica ha hecho enormes avances en la comprensión de las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales basados ​​en polímeros, estamos construyendo sobre ese conocimiento para entender el transporte térmico y termoeléctrico en estos polímeros para permitir la funcionalidad de nuevos dispositivos".

Entre las otras perspectivas para los materiales que se están desarrollando son los dispositivos de refrigeración localizados que invierten el proceso, utilizando la electricidad para mover la energía térmica de un lado de un dispositivo a otro. Enfriar sólo partes del cuerpo podría proporcionar la percepción de comodidad sin el costo del aire acondicionado de gran espacio, dijo Yee.