Sử dụng kim loại dạng lỏng, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra thiết bị chăm sóc sức khỏe đầu tiên chạy bằng năng lượng nhiệt của cơ thể.
Trong thời đại mà công nghệ hiện diện ở khắp mọi nơi, chúng ta đều quá quen thuộc với sự bất tiện của việc hết pin. Nhưng đối với những người dựa vào thiết bị đeo để theo dõi lượng đường trong máu, giảm run hoặc thậm chí theo dõi chức năng tim, việc dành thời gian để sạc lại có thể gây ra rủi ro lớn.
Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí của Đại học Carnegie Mellon đã chứng minh rằng một thiết bị chăm sóc sức khỏe có thể được cung cấp năng lượng chỉ bằng nhiệt độ cơ thể. Bằng cách kết hợp một cảm biến đo oxy xung (pulse oximetry sensor) với một máy phát năng lượng nhiệt-điện (thermoelectric) linh hoạt, có thể kéo giãn và đeo được, nhóm nghiên cứu này đã giới thiệu một cách đầy hứa hẹn để giải quyết các vấn đề về tuổi thọ pin. Máy phát năng lượng của họ được làm từ kim loại lỏng, chất bán dẫn và cao su in 3D.
Mason Zadan, tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Đây là bước đầu tiên hướng tới thiết bị điện tử đeo không cần pin”. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.
Hệ thống của họ được thiết kế để đạt hiệu suất cơ học và nhiệt điện cao, với sự tích hợp vật liệu liền mạch, có những tiến bộ về vật liệu mềm, thiết kế mảng TEG, thiết kế bảng mạch năng lượng thấp và quản lý năng lượng trên bo mạch (on-board power management).
Carmel Majidi, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Giám đốc Phòng thí nghiệm Soft Machines, giải thích: “So với nghiên cứu trước đây của chúng tôi, thiết kế này cải thiện mật độ công suất (power density) lên khoảng 40 lần, hay 4000%. Vật liệu tổ hợp epoxy kim loại lỏng tăng cường độ dẫn nhiệt giữa thành phần nhiệt điện và điểm tiếp xúc của thiết bị với cơ thể”.
Để kiểm tra điện áp đầu ra, thiết bị được đeo trên ngực và cổ tay của người tham gia khi họ nghỉ ngơi và khi chuyển động.
Zadan cho biết: “Chúng tôi thấy điện áp đầu ra lớn hơn khi thiết bị được đeo ở cổ tay của người tham gia và khi người đó đang chuyển động. Khi người tham gia di chuyển, một bên của thiết bị được làm mát bằng luồng không khí tăng lên, và bên còn lại được làm nóng do nhiệt độ cơ thể tăng lên. Đi bộ và chạy tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lý tưởng.”
Quá trình mà sự chênh lệch nhiệt độ được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện được gọi là hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric effect).
Khi vật liệu nhiệt điện tiếp xúc với sự chênh lệch nhiệt độ, chẳng hạn như có một đầu được làm nóng trong khi đầu kia vẫn mát, các electron bên trong vật liệu bắt đầu chảy từ đầu nóng sang đầu lạnh. Việc chuyển động electron này tạo ra dòng điện. Chênh lệch nhiệt độ càng lớn, dòng điện được tạo ra càng nhiều, tạo ra năng lượng điện. Về cơ bản, hiệu ứng nhiệt điện cho phép chúng ta khai thác sự chênh lệch nhiệt độ để tạo ra điện có thể sử dụng được, biến nó thành một cách thức đầy hứa hẹn cho việc tạo ra năng lượng bền vững.
Tiến tới, Tiến sĩ Dinesh K. Patel, một nhà khoa học nghiên cứu trong nhóm, rất mong muốn làm việc để cải thiện hiệu suất điện và khám phá cách sản xuất thiết bị. “Chúng tôi muốn đưa nó từ một bằng chứng cho ý tưởng thành một sản phẩm mà mọi người có thể bắt đầu sử dụng.”
Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của Arieca Inc., Đại học Washington và Đại học Quốc gia Seoul.
Nguồn thông tin:
Mason Zadan và cộng sự. Máy phát nhiệt-điện co dãn, đeo được, tự cấp năng lượng để theo dõi sức khỏe. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861
