Redes deportivas piezoeléctricas: material deportivo que aprovecha la energía

El índice comienza con una Introducción que ofrece una visión general de la captación de energía piezoeléctrica y su importancia en la tecnología portátil. A continuación se incluye una sección sobre materiales piezoeléctricos, en la que se analizan materiales inorgánicos tales como Óxido de cinc (ZnO) y Titanato de circonato de plomo (PZT), así como materiales poliméricos como el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus copolímeros, junto con materiales biopiezoeléctricos. A continuación, el documento aborda Diseño y fabricación de redes deportivasse detallan diseños de placas planas, estructuras curvas y diversos métodos de fabricación, como la síntesis hidrotérmica, la electrospinning y las técnicas de transferencia por impresión. La sección dedicada al rendimiento de la captación de energía explora la energía cinética generada por los atletas mediante análisis de fuerzas y cálculos energéticos, junto con la energía vibratoria captada de los ventiladores, haciendo hincapié en los índices de pisada y la velocidad de marcha. La sección Aplicaciones describe el uso de la tecnología piezoeléctrica en campos médicos, como la monitorización del pulso arterial y la estimulación cerebral profunda, así como en el rendimiento deportivo para la monitorización muscular y la detección de la velocidad del balón. También destaca otras aplicaciones innovadoras como la captación de energía eólica y los marcapasos autoalimentados. En la sección Desafíos y trabajo futuro, el documento aborda retos clave como las limitaciones de rendimiento de los dispositivos, los problemas de fiabilidad, la integración con la electrónica y cuestiones relacionadas con la portabilidad y la optimización de los materiales. La Conclusión resume los progresos realizados y esboza las futuras líneas de investigación y desarrollo. Por último, una sección de preguntas frecuentes ofrece respuestas concisas a cuestiones habituales sobre piezoelectricidad, materiales, mecanismos de captación de energía, factores de rendimiento, aplicaciones y retos actuales en este campo.

Con la rápida mejora de los aparatos electrónicos compactos y portátiles, el aprovechamiento de la energía circundante a partir de los ejercicios humanos y los movimientos sustanciales ha surgido como una respuesta prometedora para alimentar estos aparatos. En concreto, los colectores de energía piezoeléctricos destacan por su capacidad para transformar las vibraciones y tensiones mecánicas en energía de forma sencilla. Este estudio pretende dar a conocer los avances actuales en los colectores de energía piezoeléctricos y sus posibles aplicaciones. En primer lugar, se presenta la norma de funcionamiento de la piezoelectricidad, donde las ansiedades mecánicas producen cargas en materiales fuertes específicos. A continuación se examinan algunos materiales piezoeléctricos utilizados normalmente, incluidos materiales inorgánicos como la cerámica PZT y el ZnO, así como el polímero natural PVDF. También se examinan las metodologías para convertir estos materiales en cosechadores de energía. Se investigan los factores que influyen en la ejecución de los recolectores, como las propiedades de los materiales, el diseño de los dispositivos y los procedimientos para aumentar su eficacia. Se resumen diferentes aplicaciones, desde el accionamiento de sensores y dispositivos portátiles hasta la obtención de energía a partir de ciclos modernos. Por último, las dificultades de flujo y los futuros rodamientos se enmarcan para asesorar a los procedimientos con el avance y la interpretación con respecto a la recolección de energía piezoeléctrica. Mediante el examen de las partes clave de los recolectores piezoeléctricos, este estudio espera actuar como una valiosa presentación y referencia en este campo de rápida propulsión.

Una búsqueda de información muestra que el interés mundial por la "recolección de energía piezoeléctrica" se ha desarrollado considerablemente a partir de 2004, lo que demuestra una mayor reflexión sobre este campo. De enero de 2004 a noviembre de 2022, las búsquedas de este término aumentaron más de 400%. A partir de 2010, los avances en aparatos adaptables y wearables impulsaron el interés por los avances autoalimentados. La consulta relacionada "materiales piezoeléctricos" muestra un volumen de búsquedas constante históricamente, lo que sugiere un interés constante por los fundamentos. Hay más búsquedas en países desarrollados como Estados Unidos, Reino Unido, Alemania, Japón y Corea del Sur que en otras partes del mundo. Estos países suelen ser centros de innovación en aplicaciones piezoeléctricas. Cuando se analizan por industria, las búsquedas proceden desproporcionadamente de los sectores de la ingeniería y la electrónica, lo que concuerda con los usos de la piezoelectricidad en sensores, actuadores y dispositivos energéticos. El sector académico también representa una parte notable de las búsquedas, lo que indica una importante actividad investigadora. En resumen, los datos de búsqueda reflejan un interés mundial considerable y creciente por las tecnologías piezoeléctricas de captación de energía en las dos últimas décadas. Este crecimiento ha coincidido con avances que permiten nuevas aplicaciones, lo que respalda la importancia y el potencial futuro de este campo.

Materiales piezoeléctricos

Los materiales piezoeléctricos pueden clasificarse en materiales inorgánicos y naturales en función de su organización sintética. Entre los materiales inorgánicos investigados se encuentran el ZnO y el titanato de circonato de plomo (PZT), mientras que el fluoruro de polivinilideno (PVDF) es un polímero piezoeléctrico natural de uso habitual.

Materiales piezoeléctricos inorgánicos

ZnO

El ZnO tiene una construcción de piedra preciosa wurtzita que se queda corta en el enfoque de la uniformidad, lo que le permite producir cargas eléctricas a la luz de las tensiones mecánicas. Se trata de un material piezoeléctrico muy utilizado por su elevado coeficiente piezoeléctrico, su bajo coste y su facilidad de síntesis en diferentes nanoestructuras. Se han estudiado diversas morfologías de ZnO, como nanocables, nanopartículas y nanoplanchas, para aplicaciones de captación de energía.

PZT

El titanato de circonato de plomo (PZT) es otro material terroso ferroeléctrico ampliamente considerado debido a sus elevados coeficientes piezoeléctricos en torno a 500-600 pm/V. El PZT existe en estructuras de película tanto masivas como delicadas, que pueden crearse mediante sinterización por respuesta de estado fuerte, manipulación sol-gel, vaciado, etc.

Otros materiales

Algunos otros materiales piezoeléctricos despedidos con estructura de perovskita incorporar BaTiO3 y niobato de plomo y magnesio (PMN) arreglos fuertes. Otros cristales, también, tales como niobato de litio (LiNbO3) y tantalato de litio (LiTaO3) piedras valiosas individuales exhiben excelente característica piezoeléctrica. Lo mismo puede decirse del sulfuro de zinc (ZnS) y el arseniuro de galio (GaAs).

Materiales piezoeléctricos poliméricos

PVDF

El PVDF es el polímero piezoeléctrico más utilizado por su adaptabilidad, bajo grosor, inocuidad y grandes propiedades mecánicas. Se han creado diferentes estructuras, como películas, polvos, filamentos y capas extendidas de PVDF.

Copolímeros de PVDF

Ejemplos de copolímeros son el poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno) P(VDF-TrFE) y el poli (fluoruro de vinilideno hexafluoropropileno P(VDF-HFP) preparados mediante la expansión de monómeros TrFE o HFP. Pueden mejorar el contenido de fase β y las propiedades piezoeléctricas en comparación con el PVDF puro.

Materiales biopiezoeléctricos

Se ha descubierto que algunas estructuras proteicas, como las fibrillas de colágeno de los huesos o los tendones y la quitina del caparazón de los crustáceos, presentan piezoelectricidad. Sus nanoestructuras y organizaciones cristalinas dan lugar a dipolos piezoeléctricos.

Redes Deportivas Diseño y fabricación

Diseño de placa plana

Un diseño típico y sencillo para los cosechadores de energía piezoeléctrica es la estructura de placa plana. Se compone de materiales piezoeléctricos, por ejemplo, círculos piezocerámicos o láminas de PVDF unidas a un sustrato inflexible con cátodos metálicos en ambos lados. Cuando se somete a una fuerza mecánica externa, el material piezoeléctrico se dobla e induce tensión en las superficies para generar cargas superficiales. Se pueden apilar varias láminas piezoeléctricas en paralelo para aumentar la potencia.

Estructuras curvas

Las estructuras curvadas con movimiento de flexión pueden producir una mayor deformación en comparación con las estructuras planas, lo que se traduce en un mayor rendimiento de salida. Los diseños más comunes son las cintas piezoeléctricas, las estructuras en forma de platillo y las estructuras fusiformes. El sustrato curvado puede intensificar la deformación de la capa piezoeléctrica cuando se aplica una fuerza.

Métodos de fabricación

Síntesis hidrotérmica

La síntesis hidrotérmica es una técnica basada en la disposición de gastos mínimos para crear diferentes nanoestructuras 1D, por ejemplo, nanohilos y nanorods de semiconductores piezoeléctricos. Mediante el control de la temperatura, el valor de pH y el tiempo de desarrollo, se pueden controlar las morfologías.

Electrospinning

La electrohilatura es capaz de producir fibras ultrafinas largas y continuas con diámetros de micras a nanómetros. Se ha utilizado ampliamente para sintetizar fibras poliméricas piezoeléctricas 1D para captadores de energía ajustando los parámetros de síntesis.

Impresión por transferencia

El ensamblaje basado en impresión-transferencia proporciona un enfoque preciso y de alto rendimiento para matrices densas y estructuras con patrones. El piezoeléctrico/sustrato puede imprimirse y transferirse capa a capa con registro controlado.

Rendimiento de la captación de energía

Energía cinética de los atletas

Análisis de fuerzas

Para estimar la energía cinética generada por los atletas, se revisa la literatura sobre mediciones de fuerza de diversos estudios de biomecánica de atletas. Las pruebas con placas de fuerza proporcionan datos sobre la fuerza de reacción del suelo que sube y baja rápidamente, formando un pico de impacto. Los estudios encuentran fuerzas de 1,6-2,3 veces el peso corporal durante la carrera. Las fuerzas dependen de variables como la anatomía, la fuerza muscular, la velocidad y el tipo de movimiento.

Cálculo energético

Utilizando el peso medio de los jugadores de 248 libras de un estudio de Scripps Howard, la masa correspondiente es de 112,49 kg. Con una aceleración gravitatoria de 9,80 m/s2, la masa del jugador es de 1.102,41 N. Para calcular la energía cinética generada, es necesario determinar el índice de aceleración. Varios estudios desglosan la tasa de aceleración con la que los atletas alcanzan la velocidad máxima. Utilizando una velocidad máxima de 28 pies/segundo alcanzada en 27,34 yardas y un tiempo de aceleración de 3,28 segundos, la tasa de aceleración se calcula en 8,52 m/s2. Si se introduce en la ecuación de la energía cinética, la fuerza por paso se estima en 6.990,87 N.

Energía vibratoria de los ventiladores

Ritmo de pisada y velocidad de marcha

Para estimar el número de peatones aficionados, se revisan los estudios sobre la velocidad media al caminar. Sobre la base de 7.123 peatones examinados, la velocidad media de marcha de las personas mayores (51,45% del total) era de 4,11 pies/segundo, mientras que el resto de peatones caminaba a 4,95 pies/segundo. Los ancianos tardan 3,75 segundos en alcanzar la velocidad media, y el resto de peatones, 3 segundos.

Captación de energía de las pisadas

Utilizando la velocidad media estimada al caminar y el tiempo de aceleración, la velocidad a 27,34 metros cuando se produce la velocidad máxima puede calcularse en 28 pies/segundo. El tiempo necesario para alcanzar esta velocidad para un peatón medio es de 3,28 segundos. A partir de ahí, el índice de aceleración se calcula en 8,52 m/s2. Aplicando este índice de aceleración a la masa de un ser humano medio, la fuerza por paso se estima en 6.990,87 N. Utilizando la fuerza por paso y el índice determinado a partir del experimento Pavegen de generación de 7 vatios por paso, se estima la energía generada por un ventilador medio por paso.

Aplicaciones

Aplicaciones médicas

Control del pulso arterial

Se han desarrollado dispositivos piezoeléctricos portátiles para monitorizar de forma no invasiva las ondas del pulso arterial, lo que proporciona información importante para el diagnóstico y el tratamiento cardiovascular. Un compuesto flexible hecho de PVDF y ZnO NWs muestra potencial como sensor de presión de pulso autoalimentado con voltaje y corriente de salida que alcanzan 5 mV y 1,8 μA en la posición arterial radial.

Estimulación cerebral profunda

Materiales piezoeléctricos como el PIN-PMN-PT se han utilizado en dispositivos de estimulación cerebral profunda para inducir la contracción de los músculos de las extremidades anteriores en ratones, lo que demuestra su eficacia en aplicaciones neurológicas como el control de las convulsiones y el alivio del dolor.

Rendimiento deportivo

Monitorización muscular

Los sensores piezoeléctricos portátiles tienen aplicaciones potenciales para monitorizar la actividad muscular y el movimiento mediante la detección de señales electromiográficas (EMG). Un sensor fabricado con microfibras de alúmina/PDMS detecta la actividad del músculo bíceps con gran sensibilidad y durabilidad.

detección de la velocidad de la bola

Los centros deportivos han explorado el uso de materiales piezoeléctricos como el PZT para medir las fuerzas de impacto en raquetas/bates o la velocidad de rotación de pelotas como los saques de tenis para analizar el rendimiento. Los resultados se correlacionan bien con las mediciones de las cámaras de alta velocidad.

Otras aplicaciones

Captación de energía eólica

Se han propuesto transductores compuestos de macrofibras unidas con alas dentadas como generadores piezoeléctricos instalados en el centro de ventiladores/boquillas de aerogeneradores para cosechar energía del flujo de aire en interiores de 0-35 Hz a velocidades de hasta 10 m/s.

Marcapasos autoalimentado

Se han implantado marcapasos sin plomo alimentados por nanogeneradores piezoeléctricos en forma de cosechadoras flexibles en modelos animales como posible sustituto de los dispositivos alimentados por pilas, lo que elimina la cirugía de sustitución.

Retos y trabajo futuro

Aunque se han logrado avances significativos en la captación de energía piezoeléctrica, aún quedan varios retos por superar antes de que puedan generalizarse las aplicaciones. Uno de ellos es el rendimiento de los dispositivos. Las densidades de potencia alcanzadas por los generadores siguen siendo relativamente bajas, lo que limita su aplicación a nodos sensores de pequeña escala en lugar de a dispositivos de mayor consumo energético. La mejora de la eficiencia mediante la optimización de las propiedades de los materiales y el aprovechamiento de múltiples fuentes de energía podría ayudar a resolver este problema. Sin embargo, la síntesis de materiales avanzados y el complejo diseño de los dispositivos aumentan los costes. La fiabilidad es otro motivo de preocupación, ya que hay que garantizar la estabilidad a largo plazo bajo cargas cíclicas y exposición ambiental. La caracterización de la vida útil a la fatiga en distintas condiciones de funcionamiento ayudaría a diseñar productos fiables. La integración con la electrónica es un reto debido a los desajustes de impedancia. Es fundamental contar con circuitos eficientes de gestión de la energía, pero esto aumenta la complejidad del sistema. La adaptación de la recolección al almacenamiento directo de carga sin pérdidas de conversión podría simplificar los diseños. La portabilidad también requiere sustratos blandos, elásticos y biocompatibles que mantengan sus prestaciones a lo largo de ciclos de deformación. Los compuestos multifuncionales que integran piezoeléctricos con polímeros ofrecen una solución prometedora, pero sus propiedades deben optimizarse. La normalización de los protocolos de ensayo agilizaría la comparación entre investigaciones. La inclusión de fuentes de energía del mundo real y la realización de pruebas a más largo plazo permitirían evaluar mejor la viabilidad. De cara al futuro, abordar estos retos mediante materiales avanzados, diseños mecánicamente optimizados, circuitos de potencia simplificados y puntos de referencia de rendimiento estandarizados podría acelerar la comercialización. Para explotar plenamente la piezoelectricidad es necesario seguir explorando a nanoescala para conseguir películas monocristalinas con propiedades mejoradas.

Conclusión

El aprovechamiento de la energía piezoeléctrica se ha convertido en los últimos tiempos en una respuesta prometedora para accionar equipos prácticos mediante vibraciones mecánicas. Esta innovación aprovecha el impacto piezoeléctrico para transformar directamente la tensión mecánica en energía. Se han investigado diferentes materiales piezoeléctricos, como la cerámica, los polímeros y las nanoestructuras, para su uso en recolectores de energía. También se ha avanzado mucho en el diseño de dispositivos y en los enfoques para mejorar su rendimiento. Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial de la captación de energía piezoeléctrica, todavía hay que seguir trabajando. Las densidades de potencia de salida siguen siendo relativamente bajas para aplicaciones prácticas más allá de los pequeños sensores inalámbricos. También es necesario mejorar la fiabilidad mediante la optimización de las propiedades de los materiales y la estabilidad de los dispositivos durante el funcionamiento cíclico. También hay que prestar atención a problemas de integración como la adaptación de impedancias y la conversión de voltaje. La revisión explora los diseños estructurales, las técnicas de fabricación, las estrategias de mejora del rendimiento y las aplicaciones de los captadores de energía piezoeléctricos. Se presta especial atención a los captadores de energía flexibles que utilizan materiales como el PVDF y el ZnO, con potencial para dispositivos portátiles de próxima generación. Aunque se han logrado avances significativos, los esfuerzos continuados en materiales de alto rendimiento, diseños mecánicamente optimizados y circuitos de conversión de energía más sencillos ayudarán a acelerar la comercialización de la captación de energía piezoeléctrica. Para hacer realidad todas sus posibilidades habrá que abordar los retos actuales a través de la investigación multidisciplinar en curso.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué es la piezoelectricidad?

R: Piezoelectricidad significa que una fuerza externa, mecánica o eléctrica, provoca el desarrollo de carga en el material al que se ha aplicado, o que éste cambia de dimensión en un campo eléctrico determinado. Se localiza en materiales que requieren un centro de equilibrio a escala nuclear, como las cerámicas, las gemas y los orgánicos.

P: Enumere algunos materiales piezoeléctricos, ¿cuáles son ejemplos típicos?

R: Los materiales piezoeléctricos comunes incluyen gemas como el cuarzo y matrices manufacturadas que incluyen cerámica de titanato de circonato de plomo (PZT), titanato de bario, óxido de zinc, nitruro de aluminio, fluoruro de polivinilideno (PVDF) y copolímeros de los mismos.

P: ¿Qué hace funcionar un captador de energía piezoeléctrico?

R: Los materiales piezoeléctricos, en general, generan una carga eléctrica en respuesta a una tensión mecánica proporcional a la presión aplicada. En un captador de energía piezoeléctrico, esta carga se acumula y se lleva a un dispositivoMV. Los diseños normales utilizan el material en una configuración en voladizo o en platillo para transformar las vibraciones envolventes en una tensión de tracción o compresión que genere cargas.

P: ¿Qué variables influyen en la ejecución del recolector?

R: La ejecución depende de las propiedades del material, como el coeficiente piezoeléctrico, el diseño del terminal, los aspectos, la carga previa o la masa de verificación utilizada. La reducción de los impactos de apantallamiento interior/exterior mediante el diseño del material/interfaz mejora aún más la ejecución.

P: ¿Cuáles son algunos de los usos de estos recolectores?

R: Las aplicaciones incorporan LEDs de alimentación, pequeño hardware, concentradores de sensores remotos cosechando de zancadas, desarrollos corporales, vibraciones modernas y eso es sólo el principio. Son especialmente alentadores para wearables autoalimentados y gadgets IoT.

P: ¿Cuáles son los principales retos pendientes?

R: Las principales dificultades son la baja densidad de potencia resultante, la calidad constante durante el uso cíclico, los problemas de adaptación de la impedancia y los rangos de reacción de recurrencia restringidos. La combinación de las propiedades de los materiales, los modelos de aparatos y los circuitos de potencia podría ayudar a resolver las dificultades para acelerar la comercialización.