I sistemi di Energy Harvesting nella tecnologia indossabile

Questo articolo fornisce una panoramica sui sistemi di Energy Harvesting (raccolta di energia) per la tecnologia dei dispositivi indossabili. Un sistema di raccolta dell’energia sarebbe una strategia utile per affrontare il problema dell’alimentazione dei dispositivi elettronici indossabili. Per ottenere un funzionamento continuo e prestazioni elevate, ridurre la necessità di fonti esterne di energia e aumentare la durata dei dispositivi indossabili, è necessario un tipo di alimentatore sostenibile e compatibile. Nel corpo umano, il calore e i movimenti meccanici sono le due fonti di energia affidabili e facilmente disponibili. In questo articolo sono evidenziati i recenti sistemi di raccolta di energia dal movimento meccanico e dalla fonte di calore dell'uomo, ossia i diversi dispositivi indossabili di raccolta di energia, come i dispositivi piezoelettrici, elettrostatici, triboelettrici, elettromagnetici e termoelettrici.

Introduzione

La tecnologia indossabile ha registrato una crescita notevole negli ultimi anni ed ha anche dimostrato una recente tendenza di versatilità, integrazione e flessibilità con il progresso della tecnologia dell’Intelligenza Artificiale (IA). Ciò, ha reso possibili applicazioni avanzate come il monitoraggio della salute, l’interazione uomo-macchina e l’Internet delle Cose (IoT). La disponibilità di energia rappresenta una sfida significativa per i dispositivi indossabili. Le apparecchiature elettroniche in genere funzionano con batterie ricaricabili, ma la rigidità di queste batterie limita la flessibilità totale dei dispositivi elettronici. Le batterie hanno una vita breve che ne limita le applicazioni. Di conseguenza, i ricercatori stanno lavorando per eliminare totalmente o parzialmente le batterie dai dispositivi elettronici indossabili. La raccolta di energia è il sostituto ideale delle batterie nella tecnologia indossabile. Gli sviluppi unici nella raccolta di energia hanno creato nuove opportunità di ricerca per la raccolta di energia indossabile. Esistono molte fonti di energia che possono essere utilizzate per alimentare dispositivi indossabili, tra cui energia meccanica, chimica, solare, radiofrequenza, vento, acustica, vibrazionale e termica. La triboelettricità si produce quando due materiali distinti entrano in contatto tra loro e si separano. La piezoelettricità viene prodotta quando viene applicata una forza meccanica. Muovendo un conduttore attraverso un campo magnetico statico, viene generata energia elettromagnetica. L'atmosfera biochimica del corpo umano contiene un'energia chimica significativa che può fungere da perfetta fonte di energia per le celle a biocarburante, fornendo un possibile approccio per la raccolta di energia chimica. La temperatura del corpo umano è costante, mentre esiste un gradiente di temperatura rispetto all'ambiente. Pertanto, come fonte affidabile di energia, i generatori termoelettrici possono trasformare il calore del corpo umano in energia elettrica utile. La luce solare è un tipo di energia verde rinnovabile, che rappresenta la tecnologia di raccolta energetica più allettante e ampiamente utilizzata, ma la sua adattabilità è limitata dalla mancanza di disponibilità di luce solare di notte e con tempo nuvoloso. Sono stati condotti studi simili sull’energia vibrazionale, ma il suo svantaggio fondamentale è che non può produrre alcuna energia se non c’è vibrazione. I raccoglitori di energia ibridi ampliano le aree di applicazione e migliorano ulteriormente l’efficacia della raccolta di energia. Si ritiene che i raccoglitori di energia ibridi siano il metodo di raccolta più efficace poiché producono più energia rispetto ai raccoglitori singoli e possono comunque funzionare anche se una fonte di energia non è disponibile, rendendo il dispositivo indossabile autosufficiente e privo di batteria. Una persona sarà in grado di percepire e comunicare in tempo reale grazie alla tecnologia indossabile. I dispositivi di rilevamento autoalimentati in grado di rilevare informazioni critiche, chimiche, biochimiche e fisiche senza una fonte di energia esterna, hanno guadagnato costantemente popolarità. Per alimentare i dispositivi di rilevamento, sono stati studiati una varietà di sistemi autoalimentati basati su elettricità termoelettrica, piezoelettrica, redox (prodotta da reazioni di ossidoriduzione) ed elettricità umida. Con il progresso delle tecnologie autoalimentate, è ora possibile realizzare diverse funzioni di attuazione senza l'uso di una fonte di energia esterna. La tecnologia indossabile è stata inizialmente ampiamente utilizzata nei giochi da combattimento come gadget, ma ora è ampiamente utilizzata nel settore sanitario, nell'istruzione, nella disabilità, nei giochi e in molte altre applicazioni. Grazie alla riduzione delle dimensioni dei dispositivi indossabili e allo sviluppo delle funzionalità, il loro utilizzo in una varietà di aree è ora realizzabile. I sensori indossabili sono considerati della massima importanza nelle tecnologie indossabili biomediche. Le nostre vite cambiano ogni giorno a causa delle tecnologie IoT, IA e big data. I dispositivi elettronici monofunzione non saranno in grado di soddisfare le esigenze funzionali dell'elettronica indossabile nell'era dell'intelligence.

Raccolta di energia dal corpo umano

La Figura 1 riassume schematicamente la funzione di raccolta di energia dalle attività fisiche del corpo umano in grado di alimentare i dispositivi indossabili.

Figura 1: Raccolta di energia dal corpo umano

Raccoglitore piezoelettrico di energia di movimento

Il corpo umano può essere utilizzato come risorsa per due diversi tipi di energia meccanica. Il primo è associato ai processi in corso come la frequenza cardiaca e la respirazione, mentre il secondo è associato a movimenti passeggeri come il movimento delle articolazioni, la camminata e la corsa. Rispetto alle altre azioni del corpo, camminare genera la maggiore potenza tra tutte. I trasduttori piezoelettrici sono stati utilizzati con successo per trasformare l'energia di movimento in energia elettrica, ad esempio, anche per azioni semplici come il battito delle palpebre. In questa applicazione, il sensore veniva posto vicino all'occhio e mostrava una notevole sensibilità. Il processo di respirazione può essere utilizzato anche per generare energia continuamente. In questo caso, si possono ottenere due tipi di energia. La prima utilizza l'energia di recupero perché l'aspirazione e l'espulsione dell'aria possono generare una potenza di circa 1 W. L'altra tecnica si concentra sull'espansione del torace e necessita di una fascia da fissare attorno al torace dell'utente per produrre una potenza di poco meno di 1 W durante la respirazione normale. Inoltre, per sviluppare una maschera intelligente è stato utilizzato un sensore di respirazione autoalimentato che produceva una tensione di 6 V durante la respirazione orale da parte delle persone. Per catturare l'energia attraverso l'allungamento circonferenziale durante la respirazione, è stato creato un elastico piezoelettrico in materiale composito. In Figura 2 un dispositivo indossabile piezoelettrico.

Figura 2: Un dispositivo indossabile piezoelettrico

Raccoglitore piezoelettrico di energia di pressione

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