Die Wissenschaftler, die Energie von den Menschen um unsere Wearables macht gewinnen

Ein MIT Lab produziert ein Gerät die Größe einer Briefmarke, die Energie aus Beugebewegungen zu ernten. Kommerzialisierung, es könnte ein Durchbruch für wearables

In einem Labor an das Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat Sangtae Kim mit einem hauchdünnen Gerät die Größe einer Briefmarke basteln. Kim ist Ernte Energie von Menschen (wenn auch nicht die Art, das Menschen in Batterien in dem Film The Matrix) interessiert. Er will sich Bewegungen wie gehen und laufen, um Power-Sensoren und tragbare Geräte nutzbar zu machen.

"Es bietet eine neue Art der menschlichen Energie gewinnen", sagt Kim seine Prototyp-Geräts, das er kürzlich in einem Artikel, Co-Autor mit seinem Berater, Prof Ju Li und andere Forscher beschrieben.

"Jede Bewegung ist möglich, zu ernten, aber Sie würde nicht wollen, dass Kleidung voll von Erntemaschinen. Ich die Sohlen der Schuhe – das ist die meiste Energie befindet, ansprechen würde", sagt Kim.

Die Idee der Verwendung von Bewegung zur Stromerzeugung ist nicht neu, obwohl es alles andere als alltäglich ist. Es gibt stationäre Heimtrainer mit Motoren, schweißtreibende Trainingseinheiten im Fitnessstudio in Energie umzuwandeln. Aber tragbare Energie Erntemaschinen, die menschlichen Bewegung verwenden den Markt geschlagen haben, teilweise, weil sie noch genug Energie erzeugen, sagt Harry Zervos, Analyst bei Marktforschungsunternehmen IDTechEx.

Das menschliche Energie-Konzept ist vielversprechend. Nutzung von Energie, die sonst ungenutzt bleiben würde ist ansprechend, zu einem Zeitpunkt, wenn Pläne zur Bekämpfung des Klimawandels gehören mit weniger Energie oder Energie mit geringeren CO2-Emissionen.

Kim zielt auf einen wachsenden Markt der Unterhaltungselektronik. Sendungen der wearable Electronics weltweit schätzungsweise von einem prognostizierten 111 m Geräte in 2016, 214.6 m im Jahr 2019, laut IDC, einem Marktforschungsunternehmen erhöhen. IDTechEx erwartet Wearables-Jahresumsatz von $ 20 Mrd. im Jahr 2015 um fast 70 Mrd. $ im Jahr 2025 zu springen.

Suche nach kleineren leistungsfähigere Batterien

Wearables sammeln und übermitteln Daten drahtlos, wie Mobiltelefone, und verlängern die Lebensdauer der Batterie ist eine der großen technischen Herausforderungen für Designer. Und genau wie Handys, sind sie auf dem Weg zu immer dünneren und anspruchsvoller. Designer von Wearables – wie Apple Watch, Google Glass und Fitness und Gesundheit-Armbänder – jagen für Technologie, die diese Geräte laufen für mehr zwischen aufladen halten konnte. Dies bedeutet Batterien, die mehr Energie in kleineren Raum oder Geräte, die sonst einen Energieschub geben könnte, ohne in die Steckdose packen können.

Lithium-Ionen-Batterien, die auch die Mehrheit der Unterhaltungselektronik wie zum Beispiel Laptops macht, sind die Go-to-Stromquelle für Wearables. Aber ihre Leistung abnimmt wenn sie schrumpfen um enge Stellen zu passen müssen laut Christine Ho, CEO von Impressum Energy, ein Batterie-Entwickler in Kalifornien.

"Es ist ein Rätsel für Produkt-Designer, die anfangen zu realisieren müssen sie mehr kreativ denken" Ho sagt. "Neue Batterien haben die Möglichkeit, die Nachfrage zu befriedigen."

Gadget-Hersteller wie Samsung, experimentieren mit Batterien, die dünner und flexibler, so dass sie leichter passen in Wearables, die um den Finger, Handgelenk und Knöchel wickeln. Impressum-Energie entwickelt ultra-dünnen und flexiblen Zink-Batterien, die in einem bestimmten Volumen als Lithium mehr Energie speichern können und sind sicher und ungiftig, sagt Ho.

Aber die neue Akku-Technologien sind in der Regel teuer und schwer zu Masse zu produzieren. Verkauf von ultra-dünnen und flexiblen Batterien für tragbare Geräte sind voraussichtlich $300m bis 2020 zu erreichen, sagt Tony Sun, Analyst bei der Marktforschungsfirma Lux Research. Der Umsatz konnte um eine satte $4bn durch springen, dann prophezeit er, aber nur, wenn die Batterien im Preis auf das Niveau von Lithium-Ionen-Akkus kommen können. Dies würde erfordern erhebliche Investitionen für technische Durchbrüche Sonne ergänzt.

Energy-harvesting

Die Idee der Nutzung menschlicher Bewegungen kam Kim eine Nacht im Dezember 2013, wenn er eine e-Mail von Li, nur ein Treffen der Materialwissenschaft Forscher besucht hatte bekam, wo Gespräche über Lithium-Ionen-Batterien eine Diskussion von Stress auf die Batterie enthalten. Stress auf einer Lithiumbatterie ändert sich die Spannung und reduziert die Kapazität der Batterie. Doch was passiert, wenn Sie könnte dieser Stress einen Vorteil?

"Es war ein zwei-Satz-Email, die völlig mich weckte", erinnert sich Kim. "Dann fing ich an diese Geräte zu entwickeln. Es dauerte ein Jahr, um es zu bauen und ein weiteres Jahr zu verstehen, was sie tat. "Wir wollten sicherstellen, dass es eine Nebenwirkung war."

Was Kim einfallen lassen, ist ein Gerät, das eine ähnliche wie eine Batterie Struktur: zwei leitfähige Elektroden durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt. Im Gegensatz zu einer Batterie nutzt Energy Harvester die gleiche Verbindung, eine Mischung aus Lithium und Silizium, für beide Elektroden. Dadurch entsteht ein volleying Effekt, wenn körperliche Belastungen angewendet wird.

Die Druck Kräfte eine Elektrode aus Lithium-Ionen und dabei spucken stört ein Gleichgewicht, das bewirkt, die andere Elektrode dass zu öffnen und die abgelehnte Lithium zu akzeptieren. Das Elektrolyt zwingt sie, in Lithium-Ionen und Elektronen zu trennen. Die Elektronen durch einen Stromkreis Reisen und gefangen genommen als Strom. Die Elektronen dann trefft euch mit Lithium-Ionen am anderen Ende und bewegen in der Elektrode.

Entfaltung des Gerätes nimmt Ihnen den Stress und bewirkt, dass die Elektronen und Lithium-Ionen, die andere Richtung zu reisen. Diese Umkehr schafft ein weiterer Stromfluss, bevor die beiden nach der ursprünglichen Elektrode zurück.

Kims Prototyp nicht noch genug Strom für Wearables generieren. Er sagt, er braucht, um seine Effizienz – der Anteil der mechanischen Energie zu steigern, die in Strom – von 0,6 % auf 6 % umgewandelt wird, um es leistungsfähig genug für Geräte wie Armbänder zu machen.

Den Energieverbrauch erhöhen Leistung und Lebensdauer von einer Energie-Harvester wird entscheidend sein, seine Verwendung zu popularisieren sagt Kevin Lloyd, Co-Gründer und Head of Technology bei kalifornischen Pfeifen Labs, die einen GPS-basiertes Haustier Kragen für die Verfolgung, die Lage, Gesundheit und andere Aktivitäten von Ihren vierbeinigen Freund entwickelt hat.

"Wenn wir uns tragbare Geräte zu bauen anschauen, wir Wissenschaft, Akkulaufzeit und Kosten Ausgleich sind," sagt Lloyd. "Sie wollen nicht zu haben, um Ihr Haustier Kragen ausziehen, um jeden Tag kostenlos. Wenn Sie für eine oder zwei Wochen im Urlaub sind, möchten Sie es bis zum letzten für diese ganze Zeit."

Ein weiteres Hindernis für die Energie-Erntemaschine arbeiten machen: unsere Körperbewegungen sind nicht berechenbaren oder konsistent, macht es schwierig, zu einem bestimmten Zeitpunkt eine zuverlässige Energie erzeugen Ho sagt.

Bewältigung der Herausforderungen, die seine Forschung in ein tragbares Gadget wichtig sein wird, Kim nimmt zur Kenntnis, hinzu, die er bereits von ein paar Unternehmen, einschließlich der Hersteller von intelligenten Uhren gehört hat und Medizinprodukte, die Einbeziehung der Energy harvesting-Prozess interessiert sind.

"Aber wir müssen diese Technologie zuerst, bevor Sie denken, Kommerzialisierung, reifer machen", sagt er.