Filets sportifs piézoélectriques : équipement sportif à récupération d'énergie

La table des matières commence par une introduction qui donne un aperçu de la collecte d'énergie piézoélectrique et de son importance dans la technologie portable. Elle est suivie d'une section sur les matériaux piézoélectriques, qui traite à la fois des matériaux inorganiques tels que l'aluminium, le cuivre et le zinc. Oxyde de zinc (ZnO) et Titanate de zirconate de plomb (PZT), ainsi que les matériaux polymères tels que le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et ses copolymères, de même que les matériaux bio-piézoélectriques. Le document couvre ensuite Conception et fabrication de filets de sportLa section sur les performances en matière de captage d'énergie explore l'énergie cinétique générée par les athlètes grâce à l'analyse des forces et aux calculs d'énergie, ainsi que l'énergie vibratoire captée par les supporters, en mettant l'accent sur les taux de chute et les vitesses de marche. La section sur les performances en matière de collecte d'énergie explore l'énergie cinétique générée par les athlètes grâce à l'analyse des forces et aux calculs d'énergie, ainsi que l'énergie vibratoire collectée auprès des ventilateurs, en mettant l'accent sur les taux de chute des pieds et les vitesses de marche. La section Applications décrit l'utilisation de la technologie piézoélectrique dans les domaines médicaux, tels que la surveillance du pouls artériel et la stimulation cérébrale profonde, ainsi que dans les performances sportives pour la surveillance des muscles et la détection de la vitesse du ballon. Elle met également en lumière d'autres applications innovantes telles que la collecte d'énergie éolienne et les stimulateurs cardiaques auto-alimentés. Dans la section Défis et travaux futurs, le document aborde les principaux défis tels que les limites de performance des dispositifs, les problèmes de fiabilité, l'intégration avec l'électronique et les questions liées à la portabilité et à l'optimisation des matériaux. La conclusion résume les progrès réalisés et décrit les orientations futures de la recherche et du développement. Enfin, une section FAQ fournit des réponses concises aux questions les plus courantes sur la piézoélectricité, les matériaux, les mécanismes de collecte d'énergie, les facteurs de performance, les applications et les défis actuels dans ce domaine.

Avec l'amélioration rapide des gadgets électroniques compacts et portables, l'exploitation de l'énergie environnante des exercices humains et des mouvements substantiels est apparue comme une solution prometteuse pour alimenter ces gadgets. Les collecteurs d'énergie piézoélectrique se distinguent particulièrement par leur capacité à transformer directement les vibrations et les contraintes mécaniques en énergie. Cette étude vise à faire connaître les progrès en cours dans le domaine des collecteurs d'énergie piézoélectrique et leurs applications possibles. La norme de fonctionnement de la piézoélectricité, selon laquelle les angoisses mécaniques produisent des charges dans des matériaux résistants spécifiques, est tout d'abord présentée. Quelques matériaux piézoélectriques normalement utilisés sont ensuite examinés, notamment des matériaux inorganiques tels que la poterie PZT et le ZnO, ainsi que le polymère naturel PVDF. Les méthodes de fabrication de ces matériaux en faucheurs d'énergie sont également examinées. Les facteurs ayant un impact sur l'exécution des faucheurs, tels que les propriétés des matériaux, la conception des gadgets et les procédures visant à améliorer l'efficacité, sont étudiés. Différentes applications sont résumées, depuis le pilotage de capteurs et d'appareils portables jusqu'à la collecte d'énergie à partir de cycles modernes. Enfin, les difficultés d'écoulement et les perspectives d'avenir sont encadrées afin de conseiller l'avancement et l'interprétation de la collecte d'énergie piézoélectrique. En examinant les éléments clés des collecteurs piézoélectriques, cette étude devrait constituer une présentation et une référence précieuses dans ce domaine qui évolue rapidement.

Une recherche d'informations montre que l'intérêt mondial pour la "collecte d'énergie piézoélectrique" s'est considérablement développé à partir de 2004, témoignant d'une réflexion accrue dans ce domaine. De janvier 2004 à novembre 2022, les recherches sur ce terme ont augmenté de plus de 400%. Il y a eu des zones de force majeures, en particulier à partir de 2010, en accord avec les progrès dans les gadgets adaptables et les vêtements qui ont stimulé l'intérêt pour les progrès autoalimentés. La requête connexe "matériaux piézoélectriques" affiche un volume de recherches constant, ce qui suggère un intérêt constant pour les principes fondamentaux. Les pays développés comme les États-Unis, le Royaume-Uni, l'Allemagne, le Japon et la Corée du Sud sont plus souvent à l'origine des recherches que les autres régions du monde. Ces pays ont tendance à être des centres d'innovation pour les applications piézoélectriques. Si l'on analyse les recherches par secteur d'activité, on constate qu'elles proviennent de façon disproportionnée des secteurs de l'ingénierie et de l'électronique, ce qui correspond aux utilisations de la piézoélectricité dans les capteurs, les actionneurs et les dispositifs énergétiques. Le monde universitaire représente également une part importante des recherches, ce qui témoigne d'une activité de recherche significative. En résumé, les données de recherche reflètent un intérêt mondial considérable et croissant pour les technologies de collecte d'énergie piézoélectrique au cours des deux dernières décennies. Cette croissance a coïncidé avec des avancées permettant de nouvelles applications, ce qui confirme l'importance et le potentiel futur de ce domaine.

Matériaux piézoélectriques

Les matériaux piézoélectriques peuvent être classés en matériaux inorganiques et naturels en fonction de leur organisation synthétique. Les matériaux inorganiques étudiés de manière générale comprennent le ZnO et la poterie de titanate de zirconate de plomb (PZT), tandis que le fluorure de polyvinylidène (PVDF) est un polymère piézoélectrique naturel régulièrement utilisé.

Matériaux piézoélectriques inorganiques

ZnO

Le ZnO a une structure de pierre précieuse de type wurtzite qui n'est pas très homogène, ce qui lui permet de produire des charges électriques sous l'effet de contraintes mécaniques. Il s'agit d'un matériau piézoélectrique généralement utilisé en raison de son coefficient piézoélectrique élevé, de son coût minime et de la simplicité de sa synthèse en différentes nanostructures. Diverses morphologies de ZnO, notamment des nanofils, des nanoparticules et des nanofeuilles, ont été prises en compte pour des applications de collecte d'énergie.

PZT

Le titanate de zirconate de plomb (PZT) est un autre matériau ferroélectrique largement considéré en raison de ses coefficients piézoélectriques élevés, de l'ordre de 500 à 600 pm/V. Le PZT existe sous forme de structures de masse et de films délicats qui peuvent être créés par frittage de réponse à l'état fort, par manipulation sol-gel, par fléchissement, etc.

Autres matériaux

Quelques autres matériaux piézoélectriques à structure pérovskite comprennent des arrangements solides de BaTiO3 et de niobate de plomb et de magnésium (PMN). D'autres cristaux, tels que le niobate de lithium (LiNbO3) et le tantalate de lithium (LiTaO3), pierres précieuses uniques, présentent d'excellentes caractéristiques piézoélectriques. Il en va de même pour le sulfure de zinc (ZnS) et l'arséniure de gallium (GaAs).

Matériaux piézoélectriques en polymère

PVDF

Le PVDF est le polymère piézoélectrique le plus utilisé en raison de son adaptabilité, de sa faible épaisseur, de son innocuité et de ses excellentes propriétés mécaniques. Différentes structures ont été créées, notamment des films, des poudres, des filaments et des couches étendues de PVDF.

Copolymères de PVDF

Des exemples de copolymères sont le poly (fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène) P(VDF-TrFE) et le poly (fluorure de vinylidène hexafluoropropylène P(VDF-HFP) préparés via l'expansion de monomères TrFE ou HFP. Ils peuvent améliorer la teneur en phase β et les propriétés piézoélectriques par rapport au PVDF pur.

Matériaux bio-piézoélectriques

Certaines structures protéiques, comme les fibrilles de collagène dans les os ou les tendons, et la chitine dans les carapaces de crustacés, se sont révélées piézoélectriques. Leurs nanostructures et leurs organisations cristallines conduisent à des dipôles piézoélectriques.

Filets de sport Conception et fabrication

Conception d'une plaque plate

Une conception typique et simple pour les faucheurs d'énergie piézoélectrique est la structure à plaque plate. Elle comprend des matériaux piézoélectriques, par exemple des cercles piézocéramiques ou des feuilles de PVDF reliées à un substrat inflexible avec des cathodes métalliques sur les deux côtés. Lorsqu'il est soumis à une force mécanique externe, le matériau piézoélectrique se plie et induit une déformation sur les surfaces pour générer des charges de surface. Plusieurs feuilles piézoélectriques peuvent être empilées en parallèle pour augmenter la puissance.

Structures courbes

Les structures courbes avec un mouvement de flexion peuvent produire une déformation plus importante que les structures plates, ce qui se traduit par des performances de sortie plus élevées. Les conceptions courantes comprennent les rubans piézoélectriques, les structures en forme de cymbale et les structures fusiformes. Le substrat incurvé peut intensifier la déformation de la couche piézoélectrique lorsqu'une force est appliquée.

Méthodes de fabrication

Synthèse hydrothermale

La synthèse hydrothermale est une technique basée sur un arrangement à coût minimal pour créer différentes nanostructures 1D, par exemple des nanofils et des nanorods de semi-conducteurs piézoélectriques. En contrôlant la température, le pH et le temps de développement, les morphologies peuvent être contrôlées.

Filature électronique

L'électrofilage est capable de produire de longues fibres ultrafines continues d'un diamètre allant du micron au nanomètre. Elle a été largement utilisée pour synthétiser des fibres polymères piézoélectriques 1D pour les capteurs d'énergie en ajustant les paramètres de synthèse.

Transfert d'impression

L'assemblage basé sur l'impression et le transfert offre une approche précise et à haut rendement pour les réseaux denses et les structures à motifs. Le substrat piézoélectrique peut être imprimé et transféré couche par couche avec un enregistrement contrôlé.

Performance de la récolte d'énergie

Énergie cinétique des athlètes

Analyse des forces

Pour estimer l'énergie cinétique générée par les athlètes, la littérature sur les mesures de force provenant de diverses études biomécaniques sur les athlètes est passée en revue. Le test de la plaque de force fournit des données sur la force de réaction au sol qui monte et descend rapidement, formant un pic d'impact. Les études révèlent des forces comprises entre 1,6 et 2,3 fois le poids du corps pendant la course. Les forces dépendent de variables telles que l'anatomie, la force musculaire, la vitesse et le type de mouvement.

Calcul de l'énergie

En utilisant le poids moyen d'un joueur de 248 livres d'après une étude de Scripps Howard, la masse correspondante est de 112,49 kg. Avec une accélération gravitationnelle de 9,80 m/s2, la masse du joueur est de 1 102,41 N. Pour calculer l'énergie cinétique générée, il faut déterminer le taux d'accélération. Plusieurs études décomposent le taux d'accélération auquel les athlètes atteignent leur vitesse maximale. En utilisant une vitesse maximale de 28 pieds/seconde pour atteindre 27,34 yards et un temps d'accélération de 3,28 secondes, le taux d'accélération est calculé comme étant de 8,52 m/s2. En utilisant l'équation de l'énergie cinétique, la force par pas est estimée à 6 990,87 N.

Énergie vibratoire des ventilateurs

Taux de piétinement et vitesse de marche

Pour estimer la fréquentation des supporters, des études sur les vitesses de marche moyennes ont été examinées. Sur la base des 7 123 piétons examinés, la vitesse de marche moyenne des personnes âgées (51,45% du total) était de 4,11 pieds/seconde, tandis que les autres piétons marchaient à 4,95 pieds/seconde. Il faut 3,75 secondes aux personnes âgées pour atteindre la vitesse moyenne, et 3 secondes aux autres piétons.

Récolte d'énergie à partir des bruits de pas

En utilisant la vitesse de marche moyenne estimée et le temps d'accélération, la vitesse à 27,34 mètres lorsque la vitesse maximale est atteinte peut être calculée comme étant de 28 pieds/seconde. Le temps nécessaire pour atteindre cette vitesse pour un piéton moyen est de 3,28 secondes. Sur cette base, la vitesse d'accélération calculée est de 8,52 m/s2. En appliquant ce taux d'accélération à la masse d'un être humain moyen, la force par pas est estimée à 6 990,87 N. En utilisant la force par pas et le taux déterminé à partir de l'expérience Pavegen, qui génère 7 watts par pas, l'énergie générée par un ventilateur moyen par pas est estimée.

Applications

Applications médicales

Surveillance du pouls artériel

Des dispositifs piézoélectriques portables ont été développés pour surveiller de manière non invasive les ondes de pouls artérielles, ce qui fournit des informations importantes pour le diagnostic et le traitement cardiovasculaires. Un composite flexible composé de PVDF et de ZnO NWs présente un potentiel en tant que capteur de pression de pouls auto-alimenté avec une tension et un courant de sortie atteignant 5 mV et 1,8 μA à la position artérielle radiale.

Stimulation cérébrale profonde

Des matériaux piézoélectriques tels que PIN-PMN-PT ont été utilisés dans des dispositifs de stimulation cérébrale profonde pour induire la contraction des muscles des membres antérieurs chez la souris, démontrant ainsi leur efficacité dans des applications neurologiques telles que le contrôle des crises d'épilepsie et le soulagement de la douleur.

Performance sportive

Surveillance des muscles

Les capteurs piézoélectriques portables ont des applications potentielles pour surveiller l'activité musculaire et les mouvements en détectant les signaux électromyographiques (EMG). Un capteur composé de microfibres d'alumine/PDMS détecte l'activité musculaire du biceps avec une sensibilité et une durabilité élevées.

détection de la vitesse des billes

Les sites sportifs ont exploré l'utilisation de matériaux piézoélectriques tels que le PZT pour mesurer les forces d'impact sur les raquettes/battes ou la vitesse de rotation des balles, comme les services de tennis, afin d'analyser les performances. Les résultats sont en corrélation avec les mesures effectuées par les caméras à grande vitesse.

Autres applications

Récolte de l'énergie éolienne

Des transducteurs composites en macrofibres collés avec des ailes dentelées ont été proposés comme générateurs piézoélectriques installés au centre des ventilateurs/buses d'éoliennes pour récolter l'énergie du flux d'air à l'intérieur de 0-35 Hz à des vitesses allant jusqu'à 10 m/s.

Stimulateur cardiaque autonome

Des stimulateurs cardiaques sans fil alimentés par des nanogénérateurs piézoélectriques sous la forme de collecteurs flexibles ont été implantés dans des modèles animaux pour remplacer éventuellement les dispositifs alimentés par des piles, ce qui élimine la chirurgie de remplacement.

Défis et travaux futurs

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le domaine de la collecte d'énergie piézoélectrique, il reste encore plusieurs défis à relever avant de pouvoir réaliser des applications à grande échelle. La performance des dispositifs constitue un défi majeur. Les densités de puissance atteintes par les générateurs sont encore relativement faibles, ce qui limite l'application à des nœuds de capteurs de petite taille plutôt qu'à des dispositifs plus gourmands en énergie. L'amélioration de l'efficacité par l'optimisation des propriétés des matériaux et l'exploitation de plusieurs sources d'énergie pourraient contribuer à résoudre ce problème. Toutefois, la synthèse de matériaux avancés et la conception de dispositifs complexes augmentent les coûts. La fiabilité est une autre préoccupation, car il faut garantir la stabilité à long terme en cas de charge cyclique et d'exposition à l'environnement. La caractérisation des durées de vie en fatigue dans différentes conditions de fonctionnement permettrait de concevoir des produits fiables. L'intégration avec l'électronique est un défi en raison des discordances d'impédance. Des circuits de gestion de l'énergie efficaces sont essentiels mais augmentent la complexité du système. L'adaptation de la récolte au stockage direct de la charge sans pertes de conversion pourrait simplifier les conceptions. La portabilité exige également des substrats souples, extensibles et biocompatibles qui conservent leurs performances au fil des cycles de déformation. Les composites multifonctionnels intégrant des piézoélectriques et des polymères offrent une solution prometteuse, mais les propriétés doivent être optimisées. La normalisation des protocoles d'essai simplifierait la comparaison entre les recherches. L'inclusion de sources d'énergie réelles et d'essais à plus long terme permettrait de mieux évaluer la faisabilité. À l'avenir, relever ces défis grâce à des matériaux avancés, à des conceptions mécaniquement optimisées, à des circuits d'alimentation simplifiés et à des critères de performance normalisés pourrait accélérer la commercialisation. Pour exploiter pleinement la piézoélectricité, il faut poursuivre l'exploration à l'échelle nanométrique en vue d'obtenir des films monocristallins aux propriétés améliorées.

Conclusion

L'exploitation de l'énergie piézoélectrique a fait d'énormes progrès ces derniers temps et s'est avérée être une solution prometteuse pour la commande de matériel pratique par le biais de vibrations mécaniques globales. Cette innovation tire parti de l'impact piézoélectrique pour transformer directement une contrainte mécanique en énergie. Différents matériaux piézoélectriques, dont la poterie, les polymères et les nanostructures, ont été étudiés pour être utilisés dans les collecteurs d'énergie. Des progrès considérables ont également été réalisés dans la conception des dispositifs et dans les approches visant à améliorer les performances. Toutefois, pour exploiter pleinement le potentiel de la collecte d'énergie piézoélectrique, des travaux supplémentaires sont encore nécessaires. Les densités de puissance de sortie restent relativement faibles pour les applications pratiques au-delà des petits capteurs sans fil. La fiabilité doit également être améliorée par l'optimisation des propriétés des matériaux et de la stabilité du dispositif en cas de fonctionnement cyclique. Les défis d'intégration tels que l'adaptation de l'impédance et la conversion de la tension requièrent également une attention particulière. Cette étude explore les conceptions structurelles, les techniques de fabrication, les stratégies d'amélioration des performances et les applications des capteurs d'énergie piézoélectriques. Une attention particulière est accordée aux capteurs d'énergie flexibles utilisant des matériaux tels que le PVDF et le ZnO, avec un potentiel pour les dispositifs portables de la prochaine génération. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés, des efforts continus dans le domaine des matériaux à haute performance, des conceptions mécaniquement optimisées et des circuits de conversion d'énergie plus simples contribueront à accélérer la commercialisation de la collecte d'énergie piézoélectrique. Pour exploiter toutes les possibilités offertes, il faudra relever les défis actuels grâce à une recherche multidisciplinaire permanente.

FAQ

Q : Qu'est-ce que la piézoélectricité ?

R : La piézoélectricité signifie qu'une force extérieure, mécanique ou électrique, entraîne le développement d'une charge dans le matériau auquel elle a été appliquée, ou que celui-ci change de dimension dans un champ électrique spécifique. Située dans des matériaux nécessitant un centre d'équilibre à l'échelle nucléaire tels que les céramiques, les gemmes et les organiques.

Q : Citez quelques matériaux piézoélectriques et donnez des exemples typiques.

R : Les matériaux piézoélectriques courants comprennent les pierres précieuses comme le quartz et les matrices fabriquées, notamment la poterie en titanate de zirconate de plomb (PZT), le titanate de baryum, l'oxyde de zinc, le nitrure d'aluminium, le fluorure de polyvinylidène (PVDF) et les copolymères de ces derniers.

Q : Qu'est-ce qui alimente un collecteur d'énergie piézoélectrique ?

R : Les matériaux piézoélectriques, en général, produisent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique proportionnelle à la pression appliquée. Dans un collecteur d'énergie piézoélectrique, cette charge est accumulée et transmise à un dispositifMV. Les conceptions normales utilisent le matériau dans un cantilever ou une cymbale pour transformer les vibrations globales en contraintes de traction ou de compression afin de générer des charges.

Q : Quelles sont les variables qui influencent l'exécution des opérations de collecte ?

R : L'exécution dépend des propriétés du matériau comme le coefficient piézoélectrique, la conception du terminal, les aspects, la charge préalable ou la masse de vérification utilisée. La réduction des impacts de l'écran intérieur/extérieur grâce à la conception des matériaux/interfaces améliore encore l'exécution.

Q : Quelles sont les utilisations de ces collecteurs ?

R : Les applications intègrent des LED d'alimentation, du petit matériel, des centres de capteurs à distance en profitant des foulées, des développements corporels, des vibrations modernes et ce n'est qu'un début. Elles sont particulièrement encourageantes pour les vêtements et les gadgets IoT auto-alimentés.

Q : Quels sont les principaux défis à relever ?

R : Les principales difficultés sont les faibles densités de puissance, la qualité ininterrompue en cas d'utilisation cyclique, les problèmes d'adaptation de l'impédance et les plages de réaction à récurrence limitée. La combinaison des propriétés des matériaux, des modèles de gadgets et des circuits d'alimentation pourrait contribuer à résoudre ces difficultés et à accélérer la commercialisation.