inuti ett laboratorium vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) har Sangtae Kim tinkat med en papperstunn enhet storleken på en stämpel. Kim är intresserad av att skörda energi från människor (men inte den typ som förvandlar människor till batterier i filmen The Matrix). Han vill utnyttja rörelser, som att gå och springa, för att driva sensorer och bärbara prylar.
”det ger ett nytt sätt att skörda mänsklig energi”, säger Kim om sin prototypenhet, som han nyligen beskrev i en artikel medförfattare med sin rådgivare, Prof Ju Li och andra forskare.
”varje rörelse är möjlig att skörda, men du vill inte ha kläder fulla av skördare. Jag skulle rikta in mig på skosulorna-det är där mest energi finns,” säger Kim.
tanken att använda rörelse för att generera el är inte ny, men det är långt ifrån vanligt. Det finns stationära träningscyklar med motorer för att göra svettiga träningspass på gymmet till energi. Men bärbara energiskördare som använder mänsklig rörelse har inte slagit marknaden, delvis för att de ännu inte har genererat tillräckligt med energi, säger Harry Zervos, analytiker hos marknadsundersökningsföretaget IDTechEx.
det mänskliga energikonceptet är lovande. Att använda energi som annars skulle slösas bort är tilltalande i en tid då planer på att bekämpa klimatförändringar inkluderar att använda mindre energi eller energi med lägre koldioxidutsläpp.
Kim riktar sig mot en växande konsumentelektronikmarknad. Leveranser av bärbar elektronik över hela världen beräknas öka från en förutsagd 111m-enhet i 2016 till 214.6 m i 2019, enligt IDC, ett marknadsundersökningsföretag. IDTechEx förväntar sig att den årliga wearables-försäljningen kommer att hoppa från $20bn i 2015 till nästan $70bn i 2025.
strävan efter mindre mer kraftfulla batterier
Wearables samla in och kommunicera data trådlöst, som mobiltelefoner, och förlänga batteriets livslängd är en av de stora tekniska utmaningarna för designers. Och precis som mobiltelefoner är de på väg att bli tunnare och mer sofistikerade. Designers av wearables – som Apple Watch, Google Glass och fitness och hälsa armband-jagar efter teknik som kan hålla dessa prylar igång längre mellan laddning. Detta innebär batterier som kan packa mer energi i mindre utrymme eller enheter som annars skulle kunna ge en energikick utan att behöva ansluta till väggen.
litiumjonbatterier, som också driver majoriteten av konsumentelektronik som bärbara datorer, är strömkällan för bärbara datorer. Men deras prestanda minskar när de måste krympa för att passa hårdare utrymmen, enligt Christine Ho, VD för Imprint Energy, EN batteriutvecklare i Kalifornien.
”det är en gåta för produktdesigners, som börjar inse att de behöver tänka mer kreativt,” Ho säger. ”Nya batterier har möjlighet att möta efterfrågan.”
Gadgetmakare, som Samsung, experimenterar med batterier som är tunnare och flexibla så att de lättare kan passa in i bärbara som lindas runt fingret, handleden och fotleden. Imprint Energy utvecklar ultratunna och flexibla zinkbatterier, som kan lagra mer energi i en given volym än litium och är säkra och giftfria, säger Ho.
men de nya batteriteknologierna tenderar att vara dyra och svåra att massproducera. Försäljningen av ultratunna och flexibla batterier för bärbara enheter förväntas nå 300 miljoner dollar år 2020, säger Tony Sun, analytiker på marknadsundersökningsföretaget Lux Research. Försäljningen kunde hoppa till en jättestor $4bn då förutspår han, men bara om dessa batterier kan komma ner i pris till nivåerna av litiumjonbatterier. Detta skulle kräva betydande investeringar för tekniska genombrott, tillägger Sun.
energiskörd
tanken att utnyttja mänskliga rörelser kom till Kim en natt i December 2013, när han fick ett mail från Li, som just hade deltagit i ett möte med materialvetenskapliga forskare där samtal om litiumjonbatterier inkluderade en diskussion om stress på batteriet. Att applicera stress på ett litiumbatteri förändrar spänningen och minskar batteriets kapacitet. Men tänk om du kunde vända denna stress till en fördel?
”det var ett e-postmeddelande med två meningar som helt väckte mig,” minns Kim. ”Sedan började jag designa den här enheten. Det tog mig ett år att bygga det och ytterligare ett år för att fullt ut förstå vad det gjorde. Vi ville se till att det inte var en bieffekt.”
vad Kim kom med är en enhet som har en liknande struktur som ett batteri: två ledande elektroder separerade av en flytande elektrolyt. Till skillnad från ett batteri använder energiskördaren samma förening, en blandning av litium och kisel, för båda elektroderna. Detta skapar en volleying effekt när fysisk stress tillämpas.
trycket tvingar en elektrod att spotta ut litiumjoner och i processen stör en jämvikt som får den andra elektroden att öppna upp och acceptera det avvisade litium. Elektrolyten tvingar dem att separera i litiumjoner och elektroner. Elektronerna färdas genom en krets och fångas som El. Elektronerna möter sedan litiumjoner i andra änden och rör sig in i elektroden.
Unbending enheten tar bort stressen och får elektronerna och litiumjonerna att resa i andra riktningen. Den vändningen skapar ett annat flöde av elektrisk ström innan de två återvänder hem till den ursprungliga elektroden.
Kims prototyp genererar ännu inte tillräckligt med el för bärbara. Han säger att han måste öka effektiviteten – andelen mekanisk energi som omvandlas till el – från 0.6% till 6%, för att göra den kraftfull nog för enheter som armband.
att öka energiproduktionen och livslängden för en energiskördare kommer att vara avgörande för att popularisera dess användning, säger Kevin Lloyd, medgrundare och teknikchef på Kalifornien-baserade Whistle Labs, som har utvecklat en GPS-baserad husdjurskrage för att spåra din furiga väns plats, hälsa och andra aktiviteter.
”när vi tittar på att bygga bärbara enheter balanserar vi vetenskap, batterilivslängd och kostnad”, säger Lloyd. ”Du vill inte behöva ta av ditt husdjurs krage för att ladda varje dag. När du är på semester i en eller två veckor vill du att det ska vara hela tiden.”
ett annat hinder för att få energiskördaren att fungera: våra kroppsrörelser är inte förutsägbara eller konsekventa, vilket gör det svårt att generera en tillförlitlig mängd energi vid varje given tidpunkt, säger Ho.
att ta itu med utmaningen att utforma sin forskning om en bärbar gadget kommer att vara viktigt, erkänner Kim och tillägger att han redan har hört från några företag, inklusive tillverkare av smarta klockor och medicintekniska produkter, som är intresserade av att integrera energiskördningsprocessen.
”men vi måste göra denna teknik mer mogen först, innan vi funderar på att kommersialisera den,” säger han.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{highlightedText}}
{{#choiceCards}}
{{/choiceCards}}
- Dela på Facebook
- Dela på Twitter
- dela via e-post
- Dela på LinkedIn
- Dela på WhatsApp
- Dela på Messenger