All’interno di un laboratorio del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Sangtae Kim ha armeggiato con un dispositivo sottile come un francobollo. Kim è interessato a raccogliere energia dagli esseri umani (anche se non il tipo che trasforma le persone in batterie nel film, The Matrix). Vuole sfruttare i movimenti, come camminare e correre, per alimentare sensori e gadget indossabili.
“Fornisce un nuovo modo di raccogliere energia umana”, dice Kim del suo prototipo di dispositivo, che ha descritto di recente in un articolo co-autore con il suo consulente, prof Ju Li e altri ricercatori.
“Qualsiasi movimento è possibile raccogliere, ma non vorresti vestiti pieni di mietitrici. Vorrei indirizzare le suole delle scarpe-è lì che si trova la maggior parte dell’energia”, dice Kim.
L’idea di usare il movimento per generare elettricità non è nuova, anche se è tutt’altro che banale. Ci sono cyclette fisse con motori per trasformare gli allenamenti sudati in palestra in energia. Ma i raccoglitori di energia portatili che utilizzano il movimento umano non hanno colpito il mercato, in parte perché devono ancora generare abbastanza energia, dice Harry Zervos, analista della società di ricerche di mercato IDTechEx.
Il concetto di energia umana è promettente. Utilizzare energia che altrimenti sarebbe sprecata è attraente in un momento in cui i piani per combattere il cambiamento climatico includono l’utilizzo di meno energia o energia con minori emissioni di carbonio.
Kim si rivolge a un mercato in crescita dell’elettronica di consumo. Si stima che le spedizioni di elettronica indossabile in tutto il mondo aumentino da un dispositivo 111m previsto nel 2016 a 214.6 m nel 2019, secondo IDC, una società di ricerche di mercato. IDTechEx prevede che le vendite annuali di wearables salteranno da $20bn nel 2015 a quasi $70bn nel 2025.
Ricerca di batterie più piccole e potenti
Indossabili raccogliere e comunicare i dati in modalità wireless, come i telefoni cellulari, e prolungare la durata della batteria è una delle grandi sfide tecniche per i progettisti. E proprio come i telefoni cellulari, sono sulla buona strada per diventare più sottili e sofisticati. I progettisti di indossabili-come Apple Watch, Google Glass e braccialetti per il fitness e la salute – sono a caccia di tecnologia che potrebbe mantenere quei gadget in esecuzione più a lungo tra la ricarica. Ciò significa batterie che possono imballare più energia in uno spazio più piccolo o dispositivi che potrebbero altrimenti fornire una spinta di energia senza bisogno di inserirsi nel muro.
Le batterie agli ioni di litio, che alimentano anche la maggior parte dell’elettronica di consumo come i laptop, sono la fonte di alimentazione ideale per i dispositivi indossabili. Ma le loro prestazioni diminuiscono quando devono ridursi per adattarsi a spazi più stretti, secondo Christine Ho, CEO di Imprint Energy, uno sviluppatore di batterie in California.
“È un enigma per i designer di prodotto, che stanno iniziando a rendersi conto che hanno bisogno di pensare in modo più creativo”, afferma Ho. “Le nuove batterie hanno l’opportunità di soddisfare la domanda.”
I produttori di gadget, come Samsung, stanno sperimentando batterie più sottili e flessibili in modo che possano adattarsi più facilmente a dispositivi indossabili che avvolgono il dito, il polso e la caviglia. Imprint Energy sta sviluppando batterie di zinco ultrasottili e flessibili, che possono immagazzinare più energia in un dato volume rispetto al litio e sono sicuri e non tossici, dice Ho.
Ma quelle tecnologie emergenti della batteria tendono ad essere costose e difficili da produrre in serie. Le vendite di batterie ultrasottili e flessibili per dispositivi indossabili dovrebbero raggiungere $300m entro il 2020, afferma Tony Sun, analista della società di ricerche di mercato Lux Research. Le vendite potrebbero saltare a un enormebn 4bn da allora, predice, ma solo se quelle batterie possono scendere di prezzo ai livelli delle batterie agli ioni di litio. Ciò richiederebbe investimenti significativi per innovazioni tecniche, aggiunge Sun.
Energy harvesting
L’idea di sfruttare i movimenti umani è venuta a Kim una notte di dicembre 2013, quando ha ricevuto un’email da Li, che aveva appena partecipato a una riunione di ricercatori di scienza dei materiali in cui i discorsi sulle batterie agli ioni di litio includevano una discussione sullo stress sulla batteria. L’applicazione di stress su una batteria al litio altera la tensione e riduce la capacità della batteria. Ma cosa succede se si potrebbe trasformare questo stress in un vantaggio?
“E” stata una e-mail di due frasi che mi ha completamente svegliato, ” Kim ricorda. “Poi ho iniziato a progettare questo dispositivo. Mi ci è voluto un anno per costruirlo e un altro anno per capire appieno cosa stava facendo. Volevamo assicurarci che non fosse un effetto collaterale.”
Quello che Kim ha inventato è un dispositivo che ha una struttura simile a una batteria: due elettrodi conduttori separati da un elettrolita liquido. A differenza di una batteria, la mietitrice di energia utilizza lo stesso composto, un mix di litio e silicio, per entrambi gli elettrodi. Questo crea un effetto volleying quando viene applicato lo stress fisico.
La pressione costringe un elettrodo a sputare ioni di litio e nel processo sconvolge un equilibrio che fa sì che l’altro elettrodo si apra e accetti il litio rifiutato. L’elettrolita li costringe a separarsi in ioni di litio ed elettroni. Gli elettroni viaggiano attraverso un circuito e vengono catturati come elettricità. Gli elettroni poi si incontrano con ioni di litio sull’altra estremità e si muovono nell’elettrodo.
Unbending il dispositivo toglie lo stress e fa sì che gli elettroni e gli ioni di litio di viaggiare nella direzione opposta. Tale inversione crea un altro flusso di corrente elettrica prima che i due tornino a casa all’elettrodo originale.
Il prototipo di Kim non genera ancora abbastanza elettricità per i wearable. Dice che ha bisogno di aumentare la sua efficienza-la percentuale di energia meccanica che viene convertita in energia elettrica – da 0.6% a 6%, per renderlo abbastanza potente per dispositivi come braccialetti.
Aumentare la produzione di energia e la durata della vita di una mietitrice di energia sarà fondamentale per divulgarne l’uso, afferma Kevin Lloyd, co-fondatore e responsabile della tecnologia presso i Whistle Labs con sede in California, che ha sviluppato un collare per animali basato su GPS per tracciare la posizione, la salute e altre attività del tuo amico peloso.
“Quando guardiamo alla costruzione di dispositivi indossabili, stiamo bilanciando la scienza, la durata della batteria e il costo”, afferma Lloyd. “Non si vuole avere a togliere il collare del vostro animale domestico per caricare ogni giorno. Quando sei in vacanza per una o due settimane, vuoi che duri per tutto il tempo.”
Un altro ostacolo per far funzionare la mietitrice di energia: i nostri movimenti del corpo non sono prevedibili o coerenti, rendendo difficile generare una quantità affidabile di energia in un dato momento, dice Ho.
Affrontare la sfida di progettare la sua ricerca in un gadget indossabile sarà importante, Kim riconosce, aggiungendo che ha già sentito da alcune aziende, tra cui produttori di orologi intelligenti e dispositivi medici, che sono interessati a incorporare il processo di energy harvesting.
“Ma dobbiamo prima rendere questa tecnologia più matura, prima di pensare di commercializzarla”, afferma.
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