Tragbare Sensoren durch menschliche Bewegung versorgen: Durchbruch beim Energy Harvesting

Das Aufkommen kostengünstiger tragbarer Sensoren, die Herzfrequenz, Körpertemperatur, Blutzucker und Stoffwechselprodukte überwachen können, hat Forschern ermöglicht, die menschliche Gesundheit auf bisher unmögliche Weise zu überwachen. Doch wie alle elektronischen Geräte benötigen diese Wearables eine Stromquelle. Batterien sind eine Option, aber nicht unbedingt ideal, da sie sperrig, schwer und ihre Ladung verlieren können.

Forscher haben nun einen Weg entwickelt, drahtlose tragbare Sensoren durch Ernte kinetischer Energie zu betreiben, die ein Mensch bei Bewegung erzeugt. Dieses Energy Harvesting erfolgt mit einem dünnen Sandwich aus Materialien (Teflon, Kupfer und Polyimid), das auf der Haut befestigt wird. Bei Bewegung reiben diese Materialschichten an einer Gleitschicht aus Kupfer und Polyimid und erzeugen kleine Mengen Elektrizität. Der Effekt, bekannt als Triboelektrizität, ist vielleicht am besten durch den statischen Stromschlag veranschaulicht, den man nach dem Gehen über Teppichboden und Berühren einer Metalltürklinke erhält.

Der triboelektrische Generator (Nanogenerator) hat einen Stator, der am Torso fixiert ist, und einen Slider, der an der Innenseite des Arms befestigt ist. Der Slider gleitet bei menschlicher Bewegung am Stator entlang und erzeugt gleichzeitig einen elektrischen Strom. Der Nanogenerator wurde mit kommerziell erhältlichen flexiblen Leiterplatten gefertigt.

Der Nanogenerator erzeugt nicht viel Elektrizität; man bräuchte ein Gerät mit 100 Quadratmetern Oberfläche, um eine 40-Watt-Glühbirne zu betreiben. Die tragbaren Sensoren haben jedoch geringe Leistungsanforderungen, und das System speichert die erzeugte Elektrizität in einem Kondensator, bis genug Ladung vorhanden ist, um eine Sensormessung durchzuführen und die Daten per Bluetooth drahtlos an ein Smartphone zu senden. Je mehr sich eine Person bewegt, desto häufiger kann der Sensor Daten sammeln. Selbst bei relativ sitzender Lebensweise wird der Sensor schließlich genug Energie ansammeln, um zu funktionieren.