Reti sportive piezoelettriche: attrezzature atletiche che raccolgono energia

L'indice inizia con un'introduzione che fornisce una panoramica sulla raccolta di energia piezoelettrica e sulla sua importanza nella tecnologia indossabile. Segue una sezione dedicata ai materiali piezoelettrici, in cui vengono trattati sia i materiali inorganici, quali Ossido di zinco (ZnO) e Zirconato di piombo titanato (PZT), oltre a materiali polimerici come il fluoruro di polivinilidene (PVDF) e i suoi copolimeri, nonché materiali biopiezoelettrici. Il documento tratta poi Progettazione e realizzazione di reti sportiveLa sezione dedicata alle prestazioni energetiche analizza l'energia cinetica generata dagli atleti attraverso l'analisi delle forze e il calcolo dell'energia, oltre all'energia vibrazionale ricavata dai tifosi, sottolineando la velocità di calpestio e la velocità di camminata. La sezione sulle prestazioni di raccolta dell'energia esplora l'energia cinetica generata dagli atleti attraverso l'analisi delle forze e i calcoli energetici, insieme all'energia vibrazionale raccolta dai ventilatori, sottolineando i ritmi di calpestio e le velocità di camminata. La sezione Applicazioni illustra l'uso della tecnologia piezoelettrica in campo medico, come il monitoraggio del polso arterioso e la stimolazione cerebrale profonda, nonché nelle prestazioni sportive per il monitoraggio muscolare e il rilevamento della velocità della palla. Vengono inoltre evidenziate altre applicazioni innovative come la raccolta di energia eolica e i pacemaker autoalimentati. Nella sezione Sfide e lavoro futuro, il documento affronta le sfide principali, come le limitazioni delle prestazioni dei dispositivi, i problemi di affidabilità, l'integrazione con l'elettronica e le questioni relative all'indossabilità e all'ottimizzazione dei materiali. Le conclusioni riassumono i progressi compiuti e delineano le direzioni future per la ricerca e lo sviluppo. Infine, una sezione di FAQ fornisce risposte concise a domande comuni sulla piezoelettricità, sui materiali, sui meccanismi di raccolta dell'energia, sui fattori di prestazione, sulle applicazioni e sulle sfide in corso nel settore.

Con il rapido miglioramento dei gadget elettronici compatti e indossabili, la raccolta dell'energia circostante dagli esercizi umani e dai movimenti sostanziali si è rivelata una risposta promettente per l'alimentazione di questi gadget. I collettori di energia piezoelettrici si distinguono in particolare per la loro capacità di trasformare le vibrazioni e le sollecitazioni meccaniche in energia in modo diretto. Questa ricerca intende fornire informazioni sui progressi in corso nei collettori di energia piezoelettrici e sulle loro possibili applicazioni. Viene innanzitutto presentato lo standard di funzionamento della piezoelettricità, in cui le sollecitazioni meccaniche producono cariche in specifici materiali resistenti. Vengono poi esaminati alcuni materiali piezoelettrici normalmente utilizzati, tra cui materiali inorganici come la ceramica PZT e lo ZnO, nonché il polimero naturale PVDF. Vengono inoltre esaminate le metodologie per la produzione di questi materiali in dispositivi di accumulo dell'energia. Vengono analizzati i fattori che influenzano l'esecuzione dei raccoglitori, come le proprietà dei materiali, i progetti dei dispositivi e le procedure per svilupparne ulteriormente l'efficacia. Vengono riassunte le diverse applicazioni, dal pilotaggio di sensori e dispositivi indossabili alla raccolta di energia dai cicli moderni. Infine, vengono inquadrate le difficoltà di flusso e le prospettive future per consigliare i progressi e le interpretazioni in materia di raccolta di energia piezoelettrica. Esaminando le parti chiave dei raccoglitori piezoelettrici, questa ricerca si propone di essere una presentazione e un riferimento prezioso in questo campo in rapida espansione.

La ricerca di informazioni mostra che l'interesse mondiale per la "raccolta di energia piezoelettrica" si è sviluppato in modo considerevole a partire dal 2004, dimostrando una maggiore attenzione per questo campo. Dal gennaio 2004 al novembre 2022, le ricerche di questo termine sono aumentate di oltre 400%. Si sono registrate importanti aree di forza soprattutto a partire dal 2010, in accordo con i progressi dei gadget adattabili e degli indossabili che guidano l'interesse per i progressi autoalimentati. La query correlata "materiali piezoelettrici" mostra un volume di ricerche costante da sempre, il che suggerisce un interesse costante per i fondamenti. Le ricerche vengono effettuate maggiormente da Paesi sviluppati come Stati Uniti, Regno Unito, Germania, Giappone e Corea del Sud rispetto ad altre parti del mondo. Questi Paesi tendono a essere centri di innovazione per le applicazioni piezoelettriche. Se analizzate per settore, le ricerche provengono in misura sproporzionata dai settori dell'ingegneria e dell'elettronica, in linea con gli usi della piezoelettricità in sensori, attuatori e dispositivi energetici. Anche il mondo accademico rappresenta una parte considerevole delle ricerche, il che indica una significativa attività di ricerca. In sintesi, i dati di ricerca riflettono un notevole e crescente interesse globale per le tecnologie piezoelettriche di raccolta dell'energia negli ultimi due decenni. Questa crescita ha coinciso con i progressi che hanno consentito nuove applicazioni, a sostegno dell'importanza e del potenziale futuro di questo campo.

Materiali piezoelettrici

I materiali piezoelettrici possono essere suddivisi in materiali inorganici e naturali in base alla loro organizzazione sintetica. I materiali inorganici ampiamente studiati comprendono la ceramica ZnO e il titanato di zirconio di piombo (PZT), mentre il fluoruro di polivinilidene (PVDF) è un polimero piezoelettrico naturale regolarmente utilizzato.

Materiali piezoelettrici inorganici

ZnO

Lo ZnO ha una struttura di pietra preziosa wurtzite, che si avvicina al focus di uniformità, permettendogli di produrre cariche elettriche alla luce di sollecitazioni meccaniche. È un materiale piezoelettrico generalmente letto per il suo elevato coefficiente piezoelettrico, la spesa minima e la semplicità di sintesi in diverse nanostrutture. Varie morfologie di ZnO, tra cui nanofili, nanoparticelle e nanofogli, sono state prese in considerazione per applicazioni di raccolta di energia.

PZT

Il titanato di zirconio di piombo (PZT) è un altro materiale ferroelettrico di terracotta ampiamente considerato per i suoi elevati coefficienti piezoelettrici intorno a 500-600 pm/V. Il PZT esiste sia in forma di massa sia in strutture di film sottili, che possono essere creati mediante sinterizzazione a risposta forte, manipolazione sol-gel, faltering e così via.

Altri materiali

Alcuni altri materiali piezoelettrici licenziati con struttura a perovskite comprendono il BaTiO3 e il niobato di piombo e magnesio (PMN). Anche altri cristalli, come il niobato di litio (LiNbO3) e il tantalato di litio (LiTaO3), presentano eccellenti caratteristiche piezoelettriche. Lo stesso si può dire per il solfuro di zinco (ZnS) e l'arseniuro di gallio (GaAs).

Materiali piezoelettrici polimerici

PVDF

Il PVDF è il polimero piezoelettrico più utilizzato per la sua adattabilità, il basso spessore, la non nocività e le ottime proprietà meccaniche. Sono state create diverse strutture, tra cui film, polveri, filamenti e strati estesi di PVDF.

Copolimeri di PVDF

Esempi di copolimeri sono il poli (fluoruro di vinilidene-trifluoroetilene) P(VDF-TrFE) e il poli (fluoruro di vinilidene-esafluoropropilene P(VDF-HFP), preparati tramite l'espansione di monomeri TrFE o HFP. Essi possono aumentare il contenuto di fase β e le proprietà piezoelettriche rispetto al PVDF puro.

Materiali biopiezoelettrici

Alcune strutture proteiche, come le fibrille di collagene nelle ossa o nei tendini e la chitina nei gusci dei crostacei, hanno dimostrato di essere piezoelettriche. Le loro nanostrutture e organizzazioni cristalline portano a dipoli piezoelettrici.

Reti sportive Progettazione e fabbricazione

Design a piastra piatta

Un progetto tipico e semplice per i mietitori di energia piezoelettrici è la struttura a piastra piatta. Si tratta di materiali piezoelettrici, ad esempio cerchi piezoceramici o fogli di PVDF, uniti a un substrato inflessibile con catodi metallici sui due lati. Quando è sottoposto a una forza meccanica esterna, il materiale piezoelettrico si piega e induce una deformazione sulle superfici per generare cariche superficiali. Più lamine piezoelettriche possono essere impilate in parallelo per aumentare la potenza.

Strutture curve

Le strutture curve con movimento di flessione possono produrre una deformazione maggiore rispetto alle strutture piatte, con conseguenti prestazioni di uscita più elevate. I progetti più comuni includono nastri piezoelettrici, strutture a forma di cimbalo e strutture fusiformi. Il substrato curvo può intensificare la deformazione dello strato piezoelettrico quando viene applicata una forza.

Metodi di fabbricazione

Sintesi idrotermale

La sintesi idrotermale è una tecnica basata su accordi a spese minime per la creazione di diverse nanostrutture 1D, ad esempio nanofili e nanorodi di semiconduttori piezoelettrici. Controllando la temperatura, il valore del pH e il tempo di sviluppo, è possibile controllare le morfologie.

Elettrofilatura

L'elettrofilatura è in grado di produrre lunghe fibre continue ultrafini con diametri da micron a nanometri. È stata ampiamente utilizzata per sintetizzare fibre polimeriche piezoelettriche 1D per gli accumulatori di energia, regolando i parametri di sintesi.

Trasferimento di stampa

L'assemblaggio basato sulla stampa-trasferimento offre un approccio accurato e ad alta resa per array densi e strutture modellate. Il piezoelettrico/substrato può essere stampato e trasferito strato per strato con registrazione controllata.

Prestazioni di raccolta dell'energia

Energia cinetica degli atleti

Analisi delle forze

Per stimare l'energia cinetica generata dagli atleti, è stata esaminata la letteratura sulle misurazioni della forza provenienti da vari studi di biomeccanica degli atleti. I test su piastra di forza forniscono dati sulla forza di reazione al suolo che sale e scende rapidamente, formando un picco di impatto. Gli studi rilevano forze da 1,6 a 2,3 volte il peso corporeo durante la corsa. Le forze dipendono da variabili come l'anatomia, la forza muscolare, la velocità e il tipo di movimento.

Calcolo dell'energia

Utilizzando il peso medio dei giocatori di 248 libbre, ricavato da uno studio di Scripps Howard, la massa corrispondente è di 112,49 kg. Con un'accelerazione gravitazionale di 9,80 m/s2, la massa del giocatore è di 1.102,41 N. Per calcolare l'energia cinetica generata, è necessario determinare il tasso di accelerazione. Diversi studi analizzano il tasso di accelerazione con cui gli atleti raggiungono la velocità massima. Utilizzando una velocità massima di 28 piedi/secondo raggiunta in 27,34 iarde e un tempo di accelerazione di 3,28 secondi, il tasso di accelerazione è calcolato in 8,52 m/s2. Inserendo nell'equazione dell'energia cinetica, la forza per passo è stimata in 6.990,87 N.

Energia vibrazionale dei ventilatori

Tasso di calpestio e velocità di camminata

Per stimare il calpestio dei fan, sono stati esaminati gli studi sulla velocità media di camminata. Sulla base di 7.123 pedoni esaminati, la velocità media di camminata degli anziani (51,45% del totale) è stata di 4,11 piedi/secondo, mentre gli altri pedoni hanno camminato a 4,95 piedi/secondo. Gli anziani impiegano 3,75 secondi per raggiungere la velocità media e 3 secondi per gli altri pedoni.

Raccolta di energia dal calpestio

Utilizzando la velocità media stimata e il tempo di accelerazione, la velocità a 27,34 metri, quando si verifica la velocità massima, può essere calcolata in 28 piedi/secondo. Il tempo necessario per raggiungere questa velocità per un pedone medio è di 3,28 secondi. Su questa base, il tasso di accelerazione è calcolato in 8,52 m/s2. Applicando questo tasso di accelerazione alla massa di un essere umano medio, la forza per passo è stimata in 6.990,87 N. Utilizzando la forza per passo e il tasso determinato dall'esperimento Pavegen di generazione di 7 watt per passo, si stima l'energia generata da un ventilatore medio per passo.

Applicazioni

Applicazioni mediche

Monitoraggio del polso arterioso

Sono stati sviluppati dispositivi piezoelettrici indossabili per il monitoraggio non invasivo delle onde del polso arterioso, che forniscono informazioni importanti per la diagnosi e il trattamento cardiovascolare. Un composito flessibile fatto di PVDF e ZnO NWs mostra un potenziale come sensore di pressione del polso autoalimentato, con una tensione e una corrente di uscita che raggiungono 5 mV e 1,8 μA in posizione arteriosa radiale.

Stimolazione cerebrale profonda

Materiali piezoelettrici come PIN-PMN-PT sono stati utilizzati in dispositivi di stimolazione cerebrale profonda per indurre la contrazione dei muscoli degli arti anteriori nei topi, dimostrando la loro efficacia in applicazioni neurologiche come il controllo delle crisi e la riduzione del dolore.

Prestazioni sportive

Monitoraggio muscolare

I sensori piezoelettrici indossabili hanno potenziali applicazioni per monitorare l'attività muscolare e il movimento rilevando i segnali elettromiografici (EMG). Un sensore realizzato con microfibre di allumina/PDMS rileva l'attività del muscolo bicipite con elevata sensibilità e durata.

rilevamento della velocità della sfera

Gli impianti sportivi hanno esplorato l'uso di materiali piezoelettrici come i PZT per misurare le forze d'impatto su racchette/mazze o la velocità di rotazione di palle come i servizi di tennis per analizzare le prestazioni. I risultati sono ben correlati con le misurazioni effettuate da telecamere ad alta velocità.

Altre applicazioni

Raccolta di energia eolica

I trasduttori in macrofibra composita incollati con ali dentellate sono stati proposti come generatori piezoelettrici installati al centro dei ventilatori/ugelli delle turbine eoliche per raccogliere l'energia del flusso d'aria all'interno da 0-35 Hz a velocità fino a 10 m/s.

Pacemaker autoalimentato

I pacemaker senza fili alimentati da nanogeneratori piezoelettrici sotto forma di harvester flessibili sono stati impiantati in modelli animali come potenziale sostituto dei dispositivi alimentati a batteria, eliminando l'intervento chirurgico di sostituzione.

Sfide e lavoro futuro

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nella raccolta di energia piezoelettrica, rimangono ancora diverse sfide da affrontare prima di poter realizzare applicazioni diffuse. Le prestazioni dei dispositivi rappresentano una sfida fondamentale. Le densità di potenza raggiunte dai generatori sono ancora relativamente basse, il che limita l'applicazione ai nodi sensore su piccola scala piuttosto che a dispositivi più affamati di energia. Il miglioramento dell'efficienza attraverso l'ottimizzazione delle proprietà dei materiali e lo sfruttamento di più fonti di energia potrebbe contribuire a risolvere questo problema. Tuttavia, la sintesi di materiali avanzati e la progettazione di dispositivi complessi aumentano i costi. L'affidabilità è un'altra preoccupazione, poiché è necessario garantire la stabilità a lungo termine sotto carico ciclico e l'esposizione ambientale. La caratterizzazione dei tempi di vita a fatica in diverse condizioni di funzionamento aiuterebbe la progettazione di prodotti affidabili. L'integrazione con l'elettronica è impegnativa a causa dei disadattamenti di impedenza. Un circuito di gestione dell'energia efficiente è fondamentale, ma aumenta la complessità del sistema. L'adattamento dell'harvesting all'accumulo diretto di carica senza perdite di conversione potrebbe semplificare i progetti. L'indossabilità richiede anche substrati morbidi, estensibili e biocompatibili che mantengano le prestazioni durante i cicli di deformazione. I compositi multifunzionali che integrano piezoelettrici e polimeri offrono una soluzione promettente, ma le proprietà devono essere ottimizzate. La standardizzazione dei protocolli di prova semplificherebbe il confronto tra le ricerche. L'inclusione di fonti energetiche reali e test a lungo termine permetterebbero di valutare meglio la fattibilità. In futuro, affrontare queste sfide con materiali avanzati, progetti ottimizzati dal punto di vista meccanico, circuiti di alimentazione semplificati e parametri di riferimento standardizzati per le prestazioni potrebbe accelerare la commercializzazione. Per sfruttare appieno la piezoelettricità è necessario continuare a esplorare la scala nanometrica per ottenere film a cristallo singolo con proprietà migliorate.

Conclusione

La raccolta di energia piezoelettrica si è rivelata negli ultimi tempi una risposta promettente per l'azionamento di hardware convenienti attraverso vibrazioni meccaniche di tipo inglobante. Questa innovazione sfrutta l'impatto piezoelettrico per trasformare la tensione meccanica in energia in modo diretto. Diversi materiali piezoelettrici, tra cui ceramica, polimeri e nanostrutture, sono stati studiati per essere utilizzati nei dispositivi di raccolta dell'energia. Sono stati fatti molti progressi anche nella progettazione dei dispositivi e negli approcci per migliorarne le prestazioni. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale della raccolta di energia piezoelettrica, sono necessari ulteriori sforzi. Le densità di potenza in uscita rimangono relativamente basse per le applicazioni pratiche al di là dei piccoli sensori wireless. Anche l'affidabilità deve essere migliorata attraverso l'ottimizzazione delle proprietà dei materiali e la stabilità del dispositivo durante il funzionamento ciclico. Anche le sfide dell'integrazione, come l'adattamento dell'impedenza e la conversione della tensione, richiedono attenzione. La rassegna esplora i progetti strutturali, le tecniche di fabbricazione, le strategie di miglioramento delle prestazioni e le applicazioni degli accumulatori di energia piezoelettrici. Particolare attenzione viene data agli accumulatori di energia flessibili che utilizzano materiali come PVDF e ZnO, con un potenziale nei dispositivi indossabili di prossima generazione. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, gli sforzi continui per ottenere materiali ad alte prestazioni, progetti ottimizzati dal punto di vista meccanico e circuiti di conversione dell'energia più semplici contribuiranno ad accelerare la commercializzazione dell'energy harvesting piezoelettrico. Per realizzare tutte le sue possibilità sarà necessario affrontare le sfide attuali attraverso una ricerca multidisciplinare in corso.

Domande frequenti

D: Che cos'è la piezoelettricità?

R: Piezoelettricità significa che una forza esterna, meccanica o elettrica, determina lo sviluppo di carica nel materiale a cui è stata applicata, o che cambia dimensione in un campo elettrico specifico. Si trova in materiali che richiedono un centro di equilibrio su scala nucleare, come ceramiche, gemme e materiali organici.

D: Elencate alcuni materiali piezoelettrici, quali sono gli esempi tipici?

R: I materiali piezoelettrici più comuni comprendono gemme come il quarzo e matrici fabbricate che includono ceramica di zirconato di piombo (PZT), titanato di bario, ossido di zinco, nitruro di alluminio, fluoruro di polivinilidene (PVDF) e loro copolimeri.

D: Cosa alimenta un raccoglitore di energia piezoelettrico?

R: I materiali piezoelettrici, in generale, generano una carica elettrica in risposta a una sollecitazione meccanica proporzionale alla pressione applicata. In un raccoglitore di energia piezoelettrica, questa carica viene accumulata e portata a un dispositivo MV. I progetti normali utilizzano il materiale in una configurazione a cantilever o a cembalo per trasformare le vibrazioni complessive in una tensione di trazione o compressione che genera cariche.

D: Quali variabili influenzano l'esecuzione del gatherer?

R: L'esecuzione dipende dalle proprietà del materiale, come il coefficiente piezoelettrico, il design del terminale, gli aspetti, la massa di pre-sollecitazione o di verifica utilizzata. La riduzione degli impatti di schermatura interna/esterna attraverso la progettazione di materiali/interfacce sviluppa ulteriormente l'esecuzione.

D: Quali sono alcuni utilizzi di questi raccoglitori?

R: Le applicazioni comprendono LED di alimentazione, hardware di piccole dimensioni, hub di sensori remoti grazie a passi, sviluppi del corpo, vibrazioni moderne e questo è solo l'inizio. Sono particolarmente incoraggianti per gli indossabili autoalimentati e i gadget IoT.

D: Quali sono le principali sfide che rimangono?

R: Le difficoltà principali comprendono le basse densità di potenza dei risultati, la qualità costante durante l'uso ciclico, i problemi di adattamento dell'impedenza, le gamme di reazione a ricorrenza limitata. La fusione delle proprietà dei materiali, dei modelli di dispositivi e dei circuiti di potenza potrebbe aiutare a risolvere le difficoltà per accelerare la commercializzazione.