Автономная сенсорная система использует движение человека для мониторинга здоровья и окружающей среды

Международная коллаборация под руководством учёных из Penn State создала автономную, самозаряжающуюся сенсорную систему для мониторинга газовых молекул в окружающей среде или в дыхании человека. Система сочетает наногенераторы с микро-суперконденсаторами для сбора и хранения энергии, вырабатываемой движением человека.

Исследователи опубликовали свой подход на прошлой неделе в Nano Letters. Стоимость материалов для системы составляет всего несколько долларов, а для её создания используется широкодоступное оборудование.

"Это действительно комбинация предыдущих исследований, где мы продолжали разработку носимых газовых сенсоров", — сказал ведущий автор Хуаньюй "Ларри" Ченг. — "Большинство исследований сосредоточено на создании материалов для устройств. Здесь мы использовали один материал для производства нескольких компонентов на единой платформе, которые работают вместе как автономная система".

Ключевые компоненты и технология:

• Материал: Лазерно-индуцированный графеновый пеноматериал, объединённый с MXенами (двумерными переходными металлами).
• Процесс: Лазерная обработка создаёт стабильный и пористый нанокомпозит. Его переносят на предварительно растянутый эластомер, и при медленном высвобождении материал сморщивается.
• Устройства: Из одного и того же нанокомпозитного материала изготавливаются растяжимые газовые сенсоры, наногенераторы и микро-суперконденсаторы.

"Использование этого лазера почти похоже на поджаривание куска хлеба: он изменяет поверхность материала во что-то более стабильное", — пояснил Ченг.

Демонстрация работы системы:

Исследователь носил:

• Газовые сенсоры под носом и на запястье.
• Наногенераторы на обуви.
• Массив микро-суперконденсаторов на рубашке.

Во время интенсивных упражнений наногенераторы собирали энергию от движений стопы. Микро-суперконденсаторы накапливали эту энергию и использовали её для питания сенсоров, передававших данные по Bluetooth для анализа. Сенсоры непрерывно отслеживали уровень диоксида азота (NO₂) в выдыхаемом воздухе и окружающей среде.

Результаты:

• Показания системы соответствовали данным коммерческого сенсора.
• В лабораторных испытаниях система демонстрировала стабильную работу в течение более 50 дней.

"Стратегии проектирования и демонстрация из этой работы прокладывают путь для создания, изготовления и применения электроники следующего поколения, интегрированной в организм, для здорового старения и прецизионной медицины", — отметил Ченг.