Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали гибкие магнитоупругие массивы носимых преобразователей механического давления в электроэнергию, которые впервые удалось сделать устойчивыми к влаге. Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Носимые устройства, оснащенные так называемым человеко-машинным интерфейсом (HMI), широко используются для управления машинами, компьютерами, музыкальными проигрывателями и другими системами. Но серьезной проблемой такого типа устройств является их неустойчивость к влаге – например, даже наличие пота на коже человека способно нарушить их работоспособность.
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представили свою новую разработку в виде прототипа HMI-устройства, который является эластичным, недорогим и вместе с тем – водонепроницаемым. Это устройство основано на массиве мягких магнитоупругих датчиков, которые преобразуют механическое давление от нажатия пальца в электрический сигнал.
Инновационный преобразователь-генератор энергии включает в себя два основных компонента. Первый из них представляет собой слой, который преобразует механическое движение в магнитный импульс. Он состоит из набора микромагнитов в пористой силиконовой матрице, которые могут преобразовывать мягкое давление кончика пальца в изменение магнитного поля.
Второй компонент представляет собой слой элементов, состоящий из узорчатых катушек из жидкого металла. Эти катушки реагируют на изменения магнитного поля и генерируют электричество за счет явления электромагнитной индукции.
Калифорнийские исследователи изучили и опробовали ряд различных методов изготовления и сборки своего устройства для оптимизации преобразования биомеханической энергии в электрическую. Они обнаружили, что могут достичь баланса между производительностью и гибкостью, сочетая нужные параметры толщины гибкой пленки и степени концентрации магнитных частиц.
«Благодаря гибкости и долговечности материала массив магнитоупругих датчиков может генерировать стабильный электрический ток при любых деформациях, таких как скручивание, складывание и растяжение. По своим характеристикам эта разработка может быть адаптирована HMI-устройств с питанием от человеческого тела путем преобразования биомеханических действий человека в электрические сигналы», – подчеркнул ведущий автор исследования Джун Чен из UCLA.
Поскольку энергия, необходимая для работы HMI-устройств, исходит от движений пользователя, это означает, что им не требуются батареи или другие внешние компоненты питания, что делает этот распространенный тип девайсов более экологичным.
Чтобы проверить свою систему, исследователи провели серию экспериментов, в которых испытуемый, в частности, нажимал пальцами, чтобы выключать и включать лампу и управлять музыкальным проигрывателем. «Наш массив магнитоупругих датчиков успешно функционировал не только в качестве кнопки включения и выключения лампы по беспроводной связи, но и смог управлять более широкими командными функциями музыкального проигрывателя, представляя действия воспроизведения, паузы, переходу к следующему или предыдущему трекам», – отметил Чен.
Опытное устройство, разработанное в UCLA, было также протестировано во многих реальных ситуациях, связанных с наличием водяных брызг, например, в душе, во время ливня или во время активной спортивной деятельности. Устройство показало полноценную работоспособность во влажной среде, так как присутствие влаги не сильно влияло на магнитное поле.
Таким образом, успешное тестирование новой разработки UCLA обещает со временем создать широкий круг новых применений для универсальных водонепроницаемых HMI-устройств, которые можно использовать для управления многими типами современной интеллектуальной техники и электроники.