La récupération d’énergie pour les technologies portables s’intensifie

Les appareils portables, comme presque tous les autres éléments technologiques, ont besoin d’énergie. Heureusement, avec les budgets énergétiques modestes des appareils portables, l’énergie est effectivement partout. C’est dedans les rayons du soleil et les ondes radio, la sueur de la peau et la chaleur corporelle, les mouvements d’une personne et ses pas. Et aujourd’hui, la technologie évolue à un point tel que des quantités significatives de ces énergies libérées peuvent être récupérées pour libérer les appareils portables du besoin d’une batterie. Ce qui semble très attractif pour un certain nombre d’entreprises et de chercheurs.

« L’énergie est quelque chose que nous tenons pour acquis, car il suffit de brancher des objets au mur et elle semble aussi inévitable que l’air. Mais nous avons réellement besoin que cette énergie soit générée », déclare Alper Bozkurt, qui codirige avec Veena Misra le Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies (ASSIST) à l’Université d’État de Caroline du Nord.

La technologie portable de récupération d’énergie la plus connue aujourd’hui est, bien entendu, l’énergie solaire, qui extrait les électrons de la lumière du soleil ou de la lumière ambiante. Mais l’énergie solaire n’est qu’un premier pari. Les chercheurs ont découvert qu’il existe un large éventail d’options pour récolter suffisamment de microwatts pour remplacer les batteries des appareils portables. Parmi eux figurent des générateurs piézoélectriques et triboélectriques, qui exploitent les contraintes mécaniques et les propriétés électrostatiques des matériaux pour produire de l’électricité. Pendant ce temps, le phénomène bien connu de l’induction électromagnétique récolte les bosses, les sauts et les foulées pour créer de minuscules mais néanmoins utiles filets de courant.

Bien que les appareils portables ne nécessitent généralement pas beaucoup d’énergie, les appareils portables doivent être faciles à porter. Un sac à dos équipé d’un panneau solaire géant pourrait fonctionner techniquement, mais pas en réalité. Un capteur léger de santé humaine ne serait d’aucune utilité aux biologistes qui tentent de suivre un bison pour le reste de sa vie.

La variété des besoins – et des sources d’énergie – se manifeste dans un vague de recherches récentes sur la récupération d’énergiey compris certains travaux hybrides intégrant plusieurs modalités.

Le pouvoir de transpirer

L’équipe de Caltech a expérimenté différentes formes d’énergie à récolter pour alimenter sa peau électronique, notamment la sueur humaine et la friction des matériaux pendant le mouvement.Wei Gao/Caltech

Wei Gao, du California Institute of Technology, a développé une « peau électronique » auto-alimentée. E-skin, dit-il, est un dispositif intégré à un capteur appliqué directement sur la peau pour lire et transmettre des indicateurs de santé tels que la fréquence cardiaque, la température corporelle, la glycémie et les sous-produits métaboliques.

« Les soins de santé personnalisés pourraient révolutionner la pratique médicale traditionnelle », déclare Gao. « Mais pour intégrer de nombreux types différents de capteurs, nous avons besoin de conceptions de matériaux et d’outils différents. Le stockage de l’énergie n’est pas la moindre de ces considérations. [and generation].»

Le premier e-skin de Gao, produit en avril 2020était fait de caoutchouc souple et flexible et exploitait le la sueur du patient pour alimenter l’appareil. Grâce à des piles à combustible intégrées, l’appareil absorbait le lactate présent dans la sueur et le combinait avec l’oxygène atmosphérique pour générer de l’eau et du pyruvate. Grâce à ce processus, les biocarburants ont généré suffisamment d’électricité pour alimenter à la fois les capteurs de la peau électronique et la transmission des données, en chargeant continuellement un condensateur de 1,5 à 3,8 volts pendant environ 60 heures. (Pour les condensateurs, la tension se traduit par des électrons stockés-la chute de tension aux bornes d’un condensateur est proportionnelle à sa charge totale.)

Quelques mois plus tard, Gao et son équipe développé un modèle de peau électronique utilisant l’énergie cinétique du mouvement à générer triboélectricité, la libération du courant provenant du mouvement relatif de matériaux aux propriétés électrostatiques différentes. Cette peau électronique de deuxième génération prend en sandwich de fines feuilles de téflon, de cuivre et de polyimide qui glissent lorsque la personne bouge, générant une puissance maximale de 0,94 milliwatts.

L’équipe s’est ensuite tournée vers l’impression 3D. Dans une étude rapportée dansAvancées scientifiques en septembreils ont imprimé en 3D les composants essentiels (capteurs physiques, capteurs chimiques, microfluidique et supercondensateurs) pour un système multimodal de suivi de la santé appelé e3-skin (peau électronique élastique épifluidique).

La plate-forme utilise un ensemble de capteurs, des électrodes recouvertes d’hydrogel, etc., ainsi qu’un supercondensateur de taille micrométrique qui, dans ce cas, était alimenté par une cellule solaire. La précision de l’impression 3D permet aux chercheurs de créer des composants personnalisés pour l’alerte précoce et le diagnostic des problèmes de santé, explique Gao.

Tirer parti de la technologie horlogère pour… les bisons ?

On parle beaucoup de technologie portable en se concentrant sur la santé ou d’autres besoins humains. Mais les biologistes s’intéressent également à la récupération d’énergie pour le suivi des animaux, car la technologie actuelle est insuffisante. Les batteries meurent avant les animaux. L’énergie solaire ne fonctionnera pas pour les animaux ou les créatures nocturnes vivant dans des environnements faiblement éclairés. Un petit appareil qui récupère l’énergie du jogging du soir d’un coureur n’est clairement pas conçu pour un énorme bison, qui peut peser jusqu’à une tonne.

Une équipe de biologistes a construit un traceur GPS Kinefox personnalisé que la faune sauvage, y compris ce bison d’Europe, peut recharger simplement en se déplaçant comme d’habitude.Rasmus W. Havmoller

Ces défis ont inspiré les équipes de chercheurs du Université de Copenhague, l’Université technique du Danemarket celui de l’Allemagne Institut Max Planck du comportement animal pour construire un générateur portable de meilleure taille adapté à leurs objectifs : suivre les animaux sauvages, idéalement, toute leur vie. Cet objectif est actuellement hors de portée pour la plupart des espèces de mammifères – en utilisant des appareils alimentés par batterie et par l’énergie solaire.

Dans un ouvrage publié dansPLoS Un en mai, ils ont détaillé le Kinefox, un traceur GPS que la faune peut recharger simplement en se déplaçant. L’équipe a testé ses appareils sur trois espèces : quatre chiens domestiques, un poney Exmoor et un bison d’Europe.

L’équipe s’est inspirée de montres à remontage automatique, qui existent depuis la fin du XVIIIe siècle et transforment le mouvement du poignet en énergie. Les chercheurs ont donc acheté un microgénérateur commercial conçu pour les appareils portables et IoT appelé Kinetron MSG32. Ils l’ont combiné avec un condensateur lithium-ion et un tracker personnalisé compatible GPS qui transmet des données via le Réseau sans fil basse consommation Sigfox.

« Nous voulions prendre les éléments déjà créés et les utiliser dans le commerce pour le suivi des animaux, même s’ils n’ont pas été conçus pour cela », explique Troels Gregersen, scientifique invité à l’Institut Max Planck du comportement animal.

La première version des chercheurs a adapté le Kinefox aux colliers et harnais existants des animaux pour observer et apprendre.

Cependant, dit Gregersen, « le premier collier que nous avons mis sur le bison a été détruit immédiatement. Ce sont des animaux de 900 kilos qui se heurtent aux arbres. Ce n’est pas un cas d’utilisation dans les appareils portables humains.

À partir des résultats de la première version, l’équipe a finalement créé un tracker et un collier personnalisés. Ils ont collé le mouvement de montre automatique à pendule du microgénérateur sur un anneau ferromagnétique, plaçant la combinaison autour d’une bobine de fil de cuivre. Lorsque le pendule oscille avec le mouvement de l’animal, l’anneau crée un courant alternatif dans la bobine et un circuit doublant la tension le transforme en courant continu.

« Il est très utile de pouvoir placer un tracker une seule fois, à la naissance de l’animal, ou de ne devoir le tranquilliser qu’une seule fois », explique Gregersen. « Si quelque chose peut transmettre de nouveaux types de données, ou s’il peut durer plus longtemps que toute autre chose, cela a une application et une valeur. »

Kinefox est open source, avec fichiers publiés sur GitHub. Et là où un traqueur de faune traditionnel coûte entre 3 500 et 4 000 euros, le Kinefox coûte environ 270 euros en matériaux, selon les chercheurs de Max Planck.

À l’avenir, DIY peut-être même pas nécessaire. L’équipe est en pourparlers avec la société basée à Tilburg, aux Pays-Bas. Kinétron pour fabriquer un microgénérateur conçu spécifiquement pour les animaux, plutôt que des montres-bracelets à remontage automatique, explique Gregersen.

Défis : Durabilité et collaboration industrielle

Ce récupérateur d’énergie efficace combine des composites piézoélectriques avec un polymère renforcé de fibres de carbone et une résine époxy, une combinaison unique capable de stocker de l’électricité même après 100 000 utilisations.Université du Tohoku

En regardant l’avenir plus largement, certains chercheurs s’efforcent de combiner des matériaux uniques et de créer des systèmes de récupération d’énergie à partir de matériaux plus durables. Une équipe comprenant des chercheurs de l’Université japonaise du Tohoku récemment développé un récupérateur d’énergie durable et efficace qui combine des composites piézoélectriques avec un polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP).

Le groupe a fabriqué son appareil en utilisant du CFRP, des nanoparticules de niobate de sodium et de potassium (KNN) et de la résine époxy. Et même après 100 000 utilisations, explique Yaonan Yu, étudiant diplômé du Tohoku et co-auteur de l’étude, l’appareil pouvait toujours stocker l’électricité qu’il produisait.

Cette combinaison de résistance et de production d’énergie pourrait être utilisée dans plusieurs types d’applications portables et d’Internet des objets, y compris des systèmes d’infrastructure pour renforcer les ponts et les autoroutes qui détectent l’apparition d’une fissure, d’un nid-de-poule ou d’autres dommages, explique Yu.

Le point idéal, explique Bozkurt du centre ASSIST, sera l’analyse des données et l’adaptation des capacités de récupération d’énergie pour collecter et transmettre les données dont les utilisateurs ont réellement besoin.

« Si je mesure votre rythme cardiaque en picosecondes, ce serait du gaspillage, car votre cœur ne bat pas aussi vite », dit-il. Pour un projet, « nous avons demandé aux médecins : « De quelle quantité de données avez-vous besoin ? Ils ont dit : « Nous ne savons pas. Nous voyons nos patients tous les mois, donc si nous obtenons plus d’un relevé mensuel, ce sera une amélioration. C’était une certaine perspective.