身体を利用して小型ガジェットに給電する「ウェアラブル・マイクログリッド」

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(‘Wearable Microgrid’ Uses the Human Body to Sustainably Power Small Gadgets)

2021/3/9 アメリカ合衆国・カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

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・ UCSD が、身体からエネルギーを捕獲・貯蔵して小型電子機器に給電するシステム、「ウェアラブル・マイクログリッド」を開発。
・ 同システムは、汗で発電するバイオフューエルセル、身体の動きで発電する摩擦帯電型発電機およびエネルギーを貯蔵するスーパーキャパシタのフレキシブルでウォッシャブルな 3 種類の部品から構成される。
・ 全構成部品は、プリント後防水コーティングで絶縁したフレキシブルな銀の配線で接続され、折り曲げや洗濯(洗剤不使用)等を繰り返しても各部品の性能を維持。全部品がフレキシブル、ストレッチャブルでプリンタブルなフォームファクタ、調和した性能、そして相補的な機能性を有し、同一の状況下(本研究の場合は激しい動き)で有用となる、体系的で効率的な全部品の統合が同システムの主要なイノベーション。
・ 摩擦帯電型発電機が歩行やランニング中の胴体に対して腕を振る挙動により高電圧のパルスを発電し、発汗が始まるとバイオフューエルセルが継続的な低電圧の発電を開始する。スーパーキャパシタは、これらの異なる電圧を安定化させて貯蔵する。
・ 両発電デバイスは相補的かつ相乗的に働き、迅速なスタートアップと継続的な発電を両立。バイオフューエルセルのみの場合に比べ立ち上がりが 2 倍速く、摩擦帯電型発電機のみの場合に比べ給電時間が 3 倍長い。
・ バイオフューエルセルは、汗に含まれる乳酸と酸素分子間での電子の交換を引き起こす酵素の働きにより発電。摩擦帯電型発電機は、前腕部に配置した負帯電性材料と胴体の両側に配置した正帯電性材料より構成され、歩行やランニング中に胴体に対して腕を振った際の摩擦で発電する。
・ バイオフューエルセルはシャツ内部の胸部、摩擦帯電型発電機はシャツ外部の前腕部および胴体両側の腰部付近のように、衣類の捕獲エネルギー量が最大化できる配置にスクリーンプリントできる。シャツ外部の胸部に配置したスーパーキャパシタが両デバイスからのエネルギーを貯蔵し、迅速かつ継続的に小型電子機器に給電する。
・ サイクリングマシーンとランニングによる各 10 分間の運動と 20 分間の休憩の合計 30 分間のセッションで同ウェアラブルマイクログリッドを試験した結果、LCD 腕時計や小型のエレクトロクロミックディスプレイへの給電を確認した。
・ 同システムは、アスリート等による運動時の使用を想定しているが、異なるシチュエーションでの別タイプのエネルギーハーベスター利用にも適応できる。現在は、オフィスでの着席時やゆっくりとした動きで発電する設計を開発している。
・ 本研究は、UC San Diego Center for Wearable Sensors および韓国国立研究財団(NRFK)が支援した。
URL: https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/wearable-microgrid-uses-the-human-body-to-sustainably-power-small-gadgets

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Communications 掲載論文(フルテキスト)
A self-sustainable wearable multi-modular E-textile bioenergy microgrid system
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7

Abstract

Despite the fast development of various energy harvesting and storage devices, their judicious integration into efficient, autonomous, and sustainable wearable systems has not been widely explored. Here, we introduce the concept and design principles of e-textile microgrids by demonstrating a multi-module bioenergy microgrid system. Unlike earlier hybrid wearable systems, the presented e-textile microgrid relies solely on human activity to work synergistically, harvesting biochemical and biomechanical energy using sweat-based biofuel cells and triboelectric generators, and regulating the harvested energy via supercapacitors for high-power output. Through energy budgeting, the e-textile system can efficiently power liquid crystal displays continuously or a sweat sensor-electrochromic display system in pulsed sessions, with half the booting time and triple the runtime in a 10-min exercise session. Implementing “compatible form factors, commensurate performance, and complementary functionality” design principles, the flexible, textile-based bioenergy microgrid offers attractive prospects for the design and operation of efficient, sustainable, and autonomous wearable systems.

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