Usando polímeros conductores flexibles y patrones de circuitos novedosos impresos en papel, Los investigadores han demostrado generadores termoeléctricos portátiles de prueba de concepto que pueden recolectar energía del calor corporal para alimentar biosensores simples para medir la frecuencia cardíaca. respiración u otros factores.

Debido a sus patrones de cableado fractales simétricos, los dispositivos se pueden cortar al tamaño necesario para proporcionar el voltaje y los requisitos de energía para aplicaciones específicas. Los generadores modulares pueden imprimirse mediante inyección de tinta sobre sustratos flexibles, incluyendo tela, y fabricado utilizando técnicas económicas de rollo a rollo.

"El atractivo de los generadores termoeléctricos es que hay calor a nuestro alrededor, "dijo Akanksha Menon, un doctorado estudiante de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Si podemos aprovechar un poco de ese calor y convertirlo en electricidad de forma económica, hay un gran valor. Estamos trabajando en cómo producir electricidad con el calor del cuerpo ".

La investigación, apoyado por PepsiCo, Inc. y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se informó en línea en el Revista de física aplicada el 28 de septiembre.

Generadores termoeléctricos, que convierten la energía térmica directamente en electricidad, han estado disponibles durante décadas, pero los diseños estándar utilizan materiales inorgánicos inflexibles que son demasiado tóxicos para su uso en dispositivos portátiles. La potencia de salida depende del diferencial de temperatura que se puede crear entre dos lados de los generadores, lo que hace que depender del calor corporal sea un desafío. Obtener suficiente energía térmica de una pequeña área de contacto en la piel aumenta el desafío, y la resistencia interna en el dispositivo limita en última instancia la potencia de salida.

Para superar eso, Menon y sus colaboradores en el laboratorio de la profesora asistente Shannon Yee diseñaron un dispositivo con miles de puntos compuestos de polímeros alternados de tipo p y tipo n en un diseño compacto. Su patrón convierte más calor por unidad de área debido a las grandes densidades de empaque que permiten las impresoras de inyección de tinta. Al colocar los puntos de polímero más juntos, la longitud de la interconexión disminuye, lo que a su vez reduce la resistencia total y da como resultado una mayor potencia de salida del dispositivo.

"En lugar de conectar los puntos de polímero con un patrón de cableado serpentino tradicional, estamos usando patrones de cableado basados ​​en curvas de llenado de espacio, como el patrón de Hilbert:una curva continua que llena el espacio, "dijo Kiarash Gordiz, un coautor que trabajó en el proyecto mientras era un Ph.D. estudiante en Georgia Tech. "La ventaja aquí es que los patrones de Hilbert permiten la conformación de la superficie y la autolocalización, lo que proporciona una temperatura más uniforme en todo el dispositivo ".

El nuevo diseño del circuito también tiene otro beneficio:su diseño fractalmente simétrico permite que los módulos se corten a lo largo de los límites entre áreas simétricas para proporcionar exactamente el voltaje y la potencia necesarios para una aplicación específica. Eso elimina la necesidad de convertidores de energía que agregan complejidad y le quitan energía al sistema.

"Esto es valioso en el contexto de los wearables, donde desee la menor cantidad de componentes posible, ", dijo Menon." Creemos que esta podría ser una forma realmente interesante de expandir el uso de termoeléctricos para dispositivos portátiles ".

Hasta aquí, los dispositivos se han impreso en papel normal, pero los investigadores han comenzado a explorar el uso de tejidos. Tanto el papel como la tela son flexibles, pero la tela podría integrarse fácilmente en la ropa.

"Queremos integrar nuestro dispositivo en los textiles comerciales que la gente usa todos los días, ", dijo Menon." La gente se sentiría cómoda usando estas telas, pero podrían alimentar algo con solo el calor de sus cuerpos ".

Con el novedoso diseño, los investigadores esperan obtener suficiente electricidad para alimentar pequeños sensores, en el rango de microvatios a milivatios. Eso sería suficiente para sensores de frecuencia cardíaca simples, pero no dispositivos más complejos como rastreadores de actividad física o teléfonos inteligentes. Los generadores también pueden ser útiles para complementar las baterías, permitiendo que los dispositivos funcionen durante períodos de tiempo más prolongados.

Entre los desafíos que tenemos por delante están proteger los generadores de la humedad y determinar qué tan cerca deben estar de la piel para transferir energía térmica, sin dejar de ser cómodos para los usuarios.

Los investigadores utilizan materiales de tipo p disponibles comercialmente, y estamos trabajando con químicos en Georgia Tech para desarrollar mejores polímeros tipo n para futuras generaciones de dispositivos que puedan operar con pequeñas diferencias de temperatura a temperatura ambiente. El calor corporal produce diferenciales tan pequeños como cinco grados, en comparación con cien grados para los generadores utilizados como parte de tuberías y líneas de vapor.

"Un beneficio futuro de esta clase de material polimérico es el potencial de un material termoeléctrico abundante y de bajo costo que tendría una conductividad térmica inherentemente baja, "dijo Yee, quien dirige el laboratorio como parte de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff. "La comunidad de la electrónica orgánica ha hecho tremendos avances en la comprensión de las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales basados ​​en polímeros. Nos basamos en ese conocimiento para comprender el transporte térmico y termoeléctrico en estos polímeros para permitir la funcionalidad de nuevos dispositivos".

Entre las otras perspectivas de los materiales que se están desarrollando se encuentran los dispositivos de enfriamiento localizados que invierten el proceso, utilizar electricidad para mover la energía térmica de un lado a otro de un dispositivo. El enfriamiento solo de partes del cuerpo podría proporcionar la percepción de comodidad sin el costo del aire acondicionado en espacios grandes, Dijo Yee.