Thiết bị khai thác năng lượng từ đầu ngón tay

​Bạn cảm thấy đổ mồ hôi nhiều hơn từ một đợt nắng nóng mùa hè? Đừng lo lắng - không phải tất cả mồ hôi của bạn đều bị lãng phí. Một nhóm nhà nghiên cứu phát triển thiết bị mới có thể thu năng lượng từ mồ hôi trên… đầu ngón tay của bạn.

Cho đến nay, thiết bị này là máy thu năng lượng trên cơ thể hiệu quả nhất từng được phát minh, tạo ra 300 milijoules (mJ) năng lượng trên mỗi centimet vuông mà không cần bất kỳ đầu vào năng lượng cơ học nào trong khi bạn ngủ… 10 giờ.

Nhóm tác giả cho biết thiết bị này đại diện cho một bước tiến quan trọng đối với thiết bị điện tử đeo bền vững. Joseph Wang, giáo sư kỹ thuật nano Đại học California San Diego (Mỹ), giải thích: “Thông thường, bạn muốn có năng lượng tối đa. Bạn không muốn tiêu tốn nhiều năng lượng thông qua việc tập thể dục để lấy lại một ít năng lượng.

Nhưng ở đây, chúng tôi muốn tạo ra một thiết bị thích ứng với hoạt động hàng ngày mà hầu như không cần đầu tư năng lượng - bạn hoàn toàn có thể quên thiết bị và đi ngủ hoặc làm công việc văn phòng như đánh máy, nhưng vẫn tiếp tục tạo ra năng lượng. Bạn có thể gọi nó là sức mạnh từ việc… không phải làm gì cả”.

Joseph Wang, giáo sư kỹ thuật nano, Đại học California San Diego.

Những thiết bị năng lượng dựa trên mồ hôi trước đây yêu cầu tập thể dục cường độ cao - chẳng hạn như chạy hoặc đạp xe đạp rất nhiều, trước khi người dùng đổ mồ hôi đủ để kích hoạt sản xuất năng lượng. Nhưng lượng lớn năng lượng tiêu hao trong quá trình luyện tập có thể dễ dàng triệt tiêu năng lượng sinh ra, thường dẫn đến tỷ lệ hoàn vốn đầu tư dưới 1%.

Ngược lại, thiết bị mới được các tác giả gọi là loại máy thu năng lượng “chén thánh”. Thay vì dựa vào các nguồn bên ngoài, không thường xuyên như ánh sáng mặt trời hoặc chuyển động, tất cả những gì nó cần là tiếp xúc với ngón tay để thu thập hơn 300 mJ năng lượng trong khi ngủ - mà nhóm tác giả cho rằng đủ để cung cấp “điện” cho một số thiết bị điện tử nhỏ có thể đeo được. Vì không cần chuyển động, tỷ lệ giữa năng lượng thu hoạch và năng lượng đầu tư về cơ bản là vô hạn.

Trên thực tế, đầu ngón tay là nơi tập trung tuyến mồ hôi cao nhất so với bất kỳ nơi nào khác trên cơ thể. Đồng tác giả Lu Yin, tiến sĩ kỹ thuật nano, bình luận: “Việc tạo ra nhiều mồ hôi hơn ở các ngón tay có lẽ để giúp chúng ta cầm nắm đồ vật tốt hơn. Tỷ lệ mồ hôi trên ngón tay có thể lên tới vài microlit trên centimet vuông mỗi phút. Điều này rất quan trọng so với các vị trí khác trên cơ thể, nơi tốc độ mồ hôi có thể nhỏ hơn 2 hoặc 3 bậc”.

Thiết bị mà nhóm nhà nghiên cứu phát triển là loại thiết bị hấp thu năng lượng được gọi là tế bào nhiên liệu sinh học (BFC) và được cung cấp năng lượng bởi lactate - một hợp chất hòa tan trong mồ hôi. Nhìn từ bên ngoài, nó trông giống như một miếng xốp đơn giản được kết nối với một mạch điện bằng các điện cực, tất cả đều được gắn vào miếng đệm của một ngón tay. Bọt được làm từ vật liệu ống nano carbon và thiết bị cũng chứa hydrogel giúp hấp thụ mồ hôi tối đa.

Một hydrogel nhỏ (bên phải) thu thập mồ hôi từ đầu ngón tay cho cảm biến vitamin-C (bên trái), sau đó hiển thị kết quả trên màn hình điện sắc (electrochromic).

Lu Yin giải thích: “Kích thước của thiết bị vào khoảng 1cm vuông. Chất liệu cũng mềm dẻo, vì vậy bạn không cần phải lo lắng về việc nó quá cứng nhắc hoặc cảm thấy khó chịu. Bạn có thể thoải mái đeo nó trong thời gian dài”.

Trong thiết bị, một chuỗi phản ứng điện hóa xảy ra. Các tế bào được trang bị một bioenzyme trên cực dương để oxy hóa hoặc loại bỏ điện tử từ lactate; catot được lắng một lượng nhỏ platin để xúc tác phản ứng khử lấy electron để biến oxy thành nước. Một khi điều này xảy ra, các electron chạy từ lactate qua mạch, tạo ra dòng điện.

Quá trình xảy ra một cách tự nhiên: miễn là có lactate, không cần thêm năng lượng để bắt đầu quá trình. Tách biệt nhưng bổ sung cho BFC, máy phát áp điện - chuyển đổi cơ năng thành điện năng - cũng được tích hợp vào thiết bị để hấp thu năng lượng bổ sung lên đến 20%.

Dựa vào chuyển động “véo” tự nhiên của ngón tay hoặc các chuyển động hàng ngày như đánh máy, máy phát điện này giúp tạo ra năng lượng bổ sung từ hầu như bất kỳ công việc nào: một lần nhấn ngón tay một lần mỗi giờ chỉ cần 0,5 mJ năng lượng nhưng tạo ra hơn 30 mJnăng lượng - tức 6.000% hoàn vốn đầu tư.

Nhóm nhà nghiên cứu có thể sử dụng thiết bị này để cung cấp năng lượng cho các hệ thống cảm biến vitamin C và natri hiệu quả, và họ lạc quan về việc cải tiến thiết bị để có những khả năng lớn hơn nữa trong tương lai như là phù hợp với một số ứng dụng sức khỏe như máy đo cho người bị bệnh tiểu đường. Yin bình luận: “Chúng tôi muốn làm cho thiết bị được tích hợp chặt chẽ hơn ở dạng có thể đeo được, như găng tay. Chúng tôi cũng đang khám phá khả năng cho phép kết nối không dây với thiết bị di động”.