La raccolta dell’energia biomeccanica per dispositivi wearable low-power

La raccolta di energia ha attirato l'attenzione verso una tecnologia in grado di sostituire o supportare una batteria in vari dispositivi elettronici wearable/mobile. L'energia biomeccanica è classificata in base al principio fisico della raccolta di energia cinetica: piezoelettrica, triboelettrica ed elettromagnetica.

Introduzione

I dispositivi wearable che possono essere indossati dagli esseri umani nella vita quotidiana o in ambienti speciali hanno evidenziato un deciso sviluppo trainati dall'ecosistema IoT. Questi dispositivi sono di vario tipo come smart glasses, sensori biometrici e altri. Richiedono potenza che va da diversi mW a diverse decine di watt per il relativo funzionamento. L'uso di dispositivi indossabili che consumano elevate quantità di energia aumentano il peso delle batterie e richiedono oltretutto vari cicli di ricarica. Ad esempio, i soldati portano una batteria da 5-7 kg per 72 ore di funzionamento del GPS e altre apparecchiature di telecomunicazioni. Gli indumenti riscaldati sono usati per riscaldare il corpo in attività all'aria aperta a temperature fredde, che richiedono una potenza di circa 10W e circa 1 kg di batteria agli ioni di litio per un utilizzo di 10 ore. Le protesi elettriche per camminare consumano fino a 20 W con una batteria da 0,49 kg, che dovrebbe essere caricata ogni 3 ore.

Tale alta richiesta potrebbe non essere soddisfatta dalle batterie. Pertanto, le soluzioni di energy harvesting sono state studiate come una fonte di energia ausiliaria per batterie o come fonte indipendente per l'uso permanente di dispositivi indossabili senza restrizioni associate al consumo di energia. L'energia umana può provenire da una fonte di energia chimica o fisica. Le fonti tipiche di energia fisica includono quella termica e cinetica. I dispositivi termoelettrici indossabili convertono il calore umano in elettricità di diversi milliwatt, ininterrottamente e senza intaccare il corpo umano. Il corpo umano genera energia cinetica in varie forme usando i movimenti degli arti e altri parti del corpo. Tra i moti del corpo umano, i movimenti degli arti inferiori, come quelli della caviglia, del ginocchio e dell'anca, inducono un'alta energia biomeccanica poiché queste articolazioni generano una coppia maggiore rispetto alle altre. La frequenza dell'andatura è normalmente di circa 0,5-3 Hz che corrisponde a una velocità di cammino di 1,3-7,8 km/h. Perciò, molti studi si sono concentrati sulla raccolta di energia biomeccanica generata durante il movimento dell'andatura. I principi fisici di raccolta per l'energia cinetica meccanica includono il piezoelettrico, triboelettrico e raccolta di energia elettromagnetica (figura 1). La raccolta di energia elettromagnetica genera elettricità basata sulla legge di Faraday. Tra questi principi, l'induzione inerziale, i generatori piezoelettrici e triboelettrici raccolgono relativamente basse quantità di energia, dell'ordine di diversi mW o inferiore, anche se con elevata potenza per unità di volume o unità di massa.

Figura 1: energia biomeccanica di un essere umano

Il corpo come fonte di energia

L'idea di raccogliere energia dal movimento umano si basa sul fatto che il dispendio energetico di una persona media, che è la quantità di energia utilizzata dall'organismo, è circa 10⁷ J al giorno, una quantità equivalente a circa 20 kg di batterie da 2500 mA/h. In confronto alle batterie, questa quantità di energia può essere prodotta da 0,2 kg di grasso corporeo. Le notevoli quantità di energia umana rilasciate dal corpo nelle forme di calore e movimento aprono la strada allo sviluppo di tecnologie in grado di raccogliere questa energia per alimentare i dispositivi elettronici low power. La sfida principale nello sviluppo di tale tecnologia sta nella costruzione di un dispositivo che raccolga più energia possibile mentre interferisce solo in minima parte con le funzioni naturali del corpo. Inoltre, tale dispositivo dovrebbe idealmente non aumentare il costo metabolico, cioè la quantità di energia richiesta da una persona per svolgere le sue attività. L'efficienza meccanica [...]

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