Forscher haben neue tragbare Technologien demonstriert, die sowohl Strom aus menschlichen Bewegungen erzeugen als auch den Komfort der Technologie für die Menschen verbessern, die sie tragen. Die Arbeit basiert auf einem fortgeschrittenen Verständnis von Materialien, die den Komfort von Textilien erhöhen und Strom erzeugen, wenn sie an einer anderen Oberfläche reiben.
Es geht um sogenannte Amphiphile, die häufig in Konsumgütern eingesetzt werden, um die Reibung auf der menschlichen Haut zu verringern. Beispielsweise werden Amphiphile häufig in Windeln eingearbeitet, um ein Scheuern zu verhindern.
„Wir wollten ein Modell entwickeln, das uns ein detailliertes grundlegendes Verständnis darüber vermittelt, wie verschiedene Amphiphile die Oberflächenreibung verschiedener Materialien beeinflussen“, sagt Lilian Hsiao, korrespondierende Autorin einer Arbeit zu der Arbeit und außerordentliche Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik an der North Carolina State University. „Das Modell hilft uns, die molekularen Grundlagen der Reibungsreduzierung zu verstehen und kann von Ingenieuren verwendet werden, um die Eigenschaften eines Materials für verschiedene Anwendungen anzupassen.“
„Wir haben dann mit einer Reihe von Experimenten begonnen, um zu untersuchen, ob wir Amphiphile verwenden können, um Materialien zu modifizieren und sie in haptische Energieerntegeräte zu integrieren“, sagt Saad Khan, Mitautor und INVISTA-Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State. „Konkret wollten wir wissen, ob wir durch Reibung in amphiphil modifizierten Materialien Energie erzeugen können. Es stellte sich heraus, dass wir nicht nur Strom erzeugen könnten, sondern wir könnten dies auch tun und gleichzeitig die Reibung verringern, die Menschen erfahren, die diese Materialien tragen.“
Mit anderen Worten: Die Forscher fanden heraus, dass sie Amphiphile verwenden könnten, um tragbare Stoffe mit rutschigen Oberflächen herzustellen, die sich gut auf der menschlichen Haut anfühlen.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass einige Amphiphile elektronische Eigenschaften haben, die es ihnen ermöglichen, Elektronen zu „spenden“. Und als die Forscher diese elektronenspendenden Amphiphile in die tragbaren Materialien einbauten, war das Endergebnis ein Material, das sowohl bequem war als auch in der Lage war, durch Reibung, die beim Reiben an menschlicher Haut oder anderen Materialien entsteht, Elektrizität zu erzeugen.
„Die Technologie zur Gewinnung statischer Energie ist gut etabliert, aber Geräte, die über einen längeren Zeitraum getragen werden können, fehlen noch.“ sagt Hsiao. „In unseren Proof-of-Concept-Tests haben wir festgestellt, dass sich diese amphiphilen Materialien nicht nur gut auf der Haut anfühlen, sondern auch bis zu 300 Volt erzeugen können, was für ein kleines Materialstück bemerkenswert ist.“
„Ein optimales Gleichgewicht zwischen der zur Energieerzeugung erforderlichen Reibung und der Aufrechterhaltung des Komforts des Trägers ist bei der Entwicklung haptischer Technologien von größter Bedeutung, und die amphiphile Chemie bietet eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen“, sagt Khan. „Wir sind daran interessiert, diese Materialien stärker zu nutzen, beispielsweise zu untersuchen, wie sie in bestehende haptische Geräte integriert werden können. Und wir sind offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern bei der Identifizierung neuer Anwendungen.“
Der Artikel „Compressing Slippery Surface-Assembled Amphiphiles for Tunable Haptic Energy Harvesters“ wird am 15. September in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. Erstautor des Artikels ist Pallav Jani, ein Ph.D. Absolvent der NC State. Der Artikel wurde von Kushal Yadav, einem weiteren Doktoranden, mitverfasst. Studentin an der NC State, Maryanne Derkaloustian und Charles Dhong von der University of Delaware, und von Hilmar Koerner, der das Polymer Matrix Composites Program am Air Force Research Laboratory leitet.
Diese Arbeit wurde mit Unterstützung des Nonwovens Institute im Rahmen des Projekts 18-224SB durchgeführt; die National Science Foundation unter der CAREER-Preisnummer 2042635; das AFRL im Rahmen des Summer Faculty Fellowship Program; das Sloan Research Fellowship unter der Fördernummer FG-2022-18336; die Dreyfus Foundation, unter der Fördernummer TC-22-038; die National Institutes of Health im Rahmen der Förderung R01EY032584-02; und das National Eye Institute unter der Fördernummer 5R01EY032584-03.
