圧電スポーツネット：エネルギーを利用する運動器具

目次は「はじめに」で始まり、圧電エネルギーハーベスティングの概要とウェアラブル技術におけるその重要性を説明しています。続いて、圧電材料についてのセクションがあり、以下のような無機材料について論じています。 酸化亜鉛 (ZnO）と チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やその共重合体のような高分子材料、バイオ圧電材料などである。次に、この文書では以下の項目を取り上げている。 スポーツネットのデザインと製作平板設計、曲面構造、水熱合成、エレクトロスピニング、印刷転写技術を含む様々な製造方法について詳述している。エネルギー・ハーベスティング・パフォーマンスのセクションでは、力分析とエネルギー計算を通して、アスリートが生成する運動エネルギーと、ファンから採取する振動エネルギーについて、足踏み速度と歩行速度に重点を置いて説明しています。アプリケーションのセクションでは、動脈脈拍モニタリングや脳深部刺激などの医療分野や、筋肉モニタリングやボールスピード検出などのスポーツパフォーマンスにおける圧電技術の使用について概説しています。また、風力エネルギーハーベスティングや自己発電式ペースメーカーなど、その他の革新的なアプリケーションも紹介しています。課題と今後の課題」では、デバイス性能の限界、信頼性への懸念、電子機器との統合、装着性や材料の最適化に関する問題など、主要な課題を取り上げている。結論」では、これまでの進展をまとめ、今後の研究開発の方向性を概説している。最後に、FAQのセクションでは、圧電性、材料、エネルギーハーベスティングメカニズム、性能要因、アプリケーション、およびこの分野で進行中の課題に関する一般的な質問に対する簡潔な回答を提供しています。

小型でウェアラブルな電子機器の急速な改良に伴い、人間の運動や実質的な動きから周囲のエネルギーを回収することが、これらの機器に電力を供給するための有望な答えとして浮上してきました。圧電エネルギーコレクターは、機械的な振動や応力を素直に電力に変える能力があるため、特に際立っている。この調査では、圧電エネルギーコレクタの進行中の進歩とその可能な応用に関する知識を提供する予定である。まず、機械的な不安が特定の強い材料に電荷を発生させる圧電の機能基準を示す。次に、PZT陶器やZnOのような無機材料や天然ポリマーPVDFを含む、通常利用されている圧電材料について検討する。また、これらの材料をエネルギーリーパーに製造する方法論についても検討する。材料特性、装置設計、有効性をさらに向上させるための手順など、ギャザーの実行に影響を与える要因が調査されている。センサーやウェアラブルの駆動から最新のサイクルからのエネルギー収集まで、さまざまな用途が総括されている。最後に、圧電エネルギー収集に関する進歩と解釈を進めるよう助言するために、流れの困難と将来のベアリングが組み立てられています。圧電ギャザーの主要部分を調査することによって、この調査は、この急速に推進する分野における貴重なプレゼンテーションと参考文献として機能することを期待している。

情報を追ってみると、2004年頃から「圧電集電」に対する世界的な関心がかなり高まっており、この分野に対する関心の広がりを示している。2004年1月から2022年11月までの間に、この言葉に対する注目度は400%以上上昇した。特に2010年頃から、適応可能なガジェットやウェアラブルの進歩に伴い、自己燃料による進歩への関心が高まり、大きな力となっている分野がありました。圧電材料」という関連クエリは、歴史的に安定した検索数を示しており、基礎的な部分への一貫した関心を示唆している。米国、英国、ドイツ、日本、韓国といった先進国からの検索が、世界の他の地域と比べて多い。これらの国々は、圧電アプリケーションの技術革新の中心地である傾向があります。産業別に分析すると、検索はエンジニアリングとエレクトロニクスの分野からが圧倒的に多く、これは圧電のセンサ、アクチュエータ、エネルギーデバイスでの用途と一致しています。また、学術分野も検索数のかなりの部分を占めており、研究活動が盛んであることを示しています。まとめると、検索データは、過去20年間における圧電エネルギーハーベスティング技術に対する世界的な関心のかなりの高まりを示しています。この成長は、新たなアプリケーションを可能にする進歩とも一致しており、この分野の重要性と将来性を裏付けています。

圧電材料

圧電材料は、その合成組織から無機材料と天然材料に大別される。無機材料としては、ZnOやチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）陶器が広く研究されており、天然圧電ポリマーとしてはポリフッ化ビニリデン（PVDF）が常用されています。

無機圧電材料

酸化亜鉛

ZnOはウルツ鉱の貴石構造を持ち、均整のとれた焦点に欠けるため、機械的ひずみを考慮して電荷を発生させることができる。ZnOは、その高い圧電係数、最小限の費用、さまざまなナノ構造への合成が簡単であることから、一般によく読まれる圧電材料である。ナノワイヤー、ナノ粒子、ナノシートなど、ZnOのさまざまな形態がエネルギー収集用途に利用されている。

PZT

チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)は、500-600 pm/V程度の高い圧電係数を持つため、強誘電体土器材料として広く考えられているもう一つの材料です。PZTは、強固な状態応答焼結、ゾル-ゲル処理、ファラッタリングなどによって作成できる、塊状と微小なフィルム構造の両方で存在します。

その他の材料

ペロブスカイト構造を持つ他の圧電焼成材料には、BaTiO3やニオブ酸鉛マグネシウム（PMN）があります。ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)などの単結晶も優れた圧電特性を示します。硫化亜鉛（ZnS）やガリウムヒ素（GaAs）も同様です。

高分子圧電材料

PVDF

PVDFは、その適応性、低厚さ、無害性、優れた機械的特性から、最も一般的に利用されている圧電ポリマーです。フィルム、パウダー、フィラメント、拡張PVDF層を含む様々な構造が作られてきました。

PVDFコポリマー

コポリマーの例としては、ポリ（フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン）P（VDF-TrFE）およびTrFEまたはHFPモノマーの膨張を介して調製されたポリ（フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン）P（VDF-HFP）がある。これらは、純粋なPVDFと比較してβ相含有率と圧電特性を向上させることができる。

バイオ圧電材料

骨や腱に含まれるコラーゲン線維や甲殻類の殻に含まれるキチンなど、いくつかのタンパク質構造が圧電性を示すことが発見されている。それらのナノ構造や結晶組織は、圧電双極子をもたらす。

スポーツネット デザインと製作

フラットプレート設計

圧電エネルギーリーパーの典型的で簡単な設計は、平板構造です。これは圧電材料、例えば圧電セラミックサークルやPVDFフォイルを、両面に金属カソードを持つ柔軟性のない基板に接合したものです。外部からの機械的な力を受けると、圧電材料は曲がり、表面にひずみを誘発して表面電荷を発生させます。複数の圧電フォイルを並列に積み重ねることで、出力を増加させることができます。

曲線構造

曲げモーションのある曲線構造は、平坦な構造に比べて大きなひずみを発生させることができ、その結果、高い出力性能を得ることができます。一般的な設計には、圧電リボン、シンバル型構造、フシ型構造などがあります。湾曲した基板は、力が加わったときに圧電層のひずみを強めることができます。

製造方法

水熱合成

水熱合成は、例えば圧電半導体のナノワイヤーやナノロッドなど、さまざまな1次元ナノ構造を作るための、最小限の費用でできる配置ベースの技術である。温度、pH値、現像時間を制御することにより、形態を制御することができる。

エレクトロスピニング

エレクトロスピニングは、ミクロンからナノメートルの直径を持つ長い連続極細繊維を製造することができる。合成パラメータを調整することにより、エネルギーハーベスタ用の1次元圧電ポリマーファイバーの合成に広く使用されている。

印刷転写

印刷-転写ベースのアセンブリは、高密度アレイやパターン化された構造に対して、正確で歩留まりの高いアプローチを提供します。圧電体/基板を印刷し、制御された見当で層ごとに転写することができます。

エネルギーハーベスティング性能

選手の運動エネルギー

力の分析

アスリートが発生させる運動エネルギーを推定するために、様々なアスリートのバイオメカニクス研究による力の測定に関する文献をレビューする。フォースプレート試験は、衝撃のピークを形成しながら素早く上下する地面反力のデータを提供します。研究では、ランニング中に体重の1.6～2.3倍の力がかかることがわかっています。力は、解剖学的構造、筋力、スピード、動作タイプなどの変数に依存する。

エネルギー計算

Scripps Howardの研究による選手の平均体重248ポンドを使用すると、対応する質量は112.49kgとなります。重力加速度を9.80m/s2とすると、プレーヤーの質量は1,102.41Nとなります。いくつかの研究では、アスリートが最大速度に達するまでの加速率を分解しています。最大速度28フィート/秒で27.34ヤードに到達し、加速時間は3.28秒であることから、加速率は8.52m/s2と計算される。運動エネルギーの式に当てはめると、1歩あたりの力は6,990.87Nと推定される。

ファンからの振動エネルギー

歩行率と歩行速度

ファンの歩行者数を推定するため、平均歩行速度に関する研究が検討された。7,123人の歩行者を調査した結果、高齢者（全体の51.45%）の平均歩行速度は4.11フィート/秒、残りの歩行者は4.95フィート/秒であった。平均歩行速度に達するまでの時間は、高齢者では3.75秒、それ以外の歩行者では3秒である。

足踏みによるエネルギーハーベスティング

推定された平均歩行速度と加速時間を使用すると、最大速度が発生する27.34ヤードでの速度は28フィート/秒と計算できる。平均的な歩行者がこの速度に達するまでの時間は3.28秒である。これに基づき、加速度は8.52m/s2と計算される。この加速率を平均的な人間の質量に当てはめると、1歩あたりの力は6,990.87Nと見積もられる。1歩あたりの力と、1歩あたり7ワットを発生させるというPavegenの実験から決定された速度を用いると、平均的なファンが1歩あたり発生させるエネルギーが見積もられる。

アプリケーション

医療用途

動脈脈拍モニタリング

ウェアラブル圧電デバイスは、動脈脈波を非侵襲的にモニターするために開発された。PVDFとZnO NWsからなる柔軟な複合体は、橈骨動脈位置で出力電圧と電流が5mVと1.8μAに達する自己発電型脈圧センサーとしての可能性を示している。

脳深部刺激療法

PIN-PMN-PTのような圧電材料は、マウスの前肢筋の収縮を誘発する脳深部刺激装置に使用され、発作制御や疼痛緩和のような神経学的応用における有効性を実証している。

スポーツパフォーマンス

筋肉モニタリング

ウェアラブル圧電センサは、筋電図（EMG）信号を検出することで、筋肉の活動や動きをモニターする用途に応用できる可能性がある。アルミナマイクロファイバー/PDMSで作られたセンサーは、高感度と耐久性で上腕二頭筋の筋活動を検出します。

ボールスピード検出

スポーツ会場では、PZTのような圧電材料を使って、ラケットやバットの衝撃力や、テニスのサーブのようなボールの回転速度を測定し、パフォーマンスを分析することが試みられている。その出力は、高速度カメラによる測定値とよく相関していました。

その他の用途

風力エネルギーハーベスティング

鋸歯状の翼で接着されたマクロファイバー複合トランスデューサは、風力タービンファン/ノズルの中心に設置され、最大速度10m/sで0-35Hzの気流エネルギーを室内で採取する圧電発電機として提案されている。

自走式ペースメーカー

フレキシブルハーベスターの形をした圧電ナノジェネレーターを動力源とするリードレスペースメーカーは、交換手術を不要にするバッテリー駆動のデバイスの代替品となる可能性があるとして、動物モデルに移植されている。

課題と今後の課題

圧電エネルギー・ハーベスティングには大きな進歩が見られますが、広範な応用を実現するには、まだいくつかの課題が残っています。デバイスの性能は重要な課題の1つである。発電機によって達成される電力密度はまだ比較的低いため、より多くの電力を必要とするデバイスではなく、小規模なセンサーノードへの応用が制限されています。材料特性の最適化と複数のエネルギー源の利用によって効率を向上させれば、この問題に対処できる可能性がある。しかし、高度な材料合成と複雑なデバイス設計は、コストを増加させる。繰り返し荷重や環境暴露下での長期安定性を確保する必要があるため、信頼性も懸念事項のひとつである。さまざまな使用条件下での疲労寿命の評価は、信頼性の高い製品設計をサポートする。電子機器との統合は、インピーダンスの不整合により困難である。効率的な電力管理回路は重要であるが、システムの複雑さを増大させる。ハーベスティングを変換ロスのない直接電荷貯蔵に適応させることで、設計を簡素化できる可能性がある。また、装着性には、変形のサイクルにわたって性能を維持する、柔らかく、伸縮可能で、生体適合性のある基材が必要である。圧電素子とポリマーを統合した多機能複合材料は有望な解決策を提供するが、特性を最適化する必要がある。試験プロトコルを標準化すれば、研究間の比較が合理化される。実際のエネルギー源を組み入れ、より長期間の試験を行うことで、実現可能性をより適切に評価することができます。今後、先端材料、機械的に最適化された設計、簡素化された電源回路、標準化された性能ベンチマークを通じてこれらの課題に対処すれば、商業化を加速できるだろう。圧電性を完全に利用するには、特性を向上させた単結晶フィルムに向けてナノスケールでの探求を続ける必要があります。

結論

圧電エネルギー刈り取りは、機械的振動を包含することで便利なハードウェアを駆動するための有望な答えとして、最近大きな前進があると考えられています。この技術革新は、機械的なひずみを素直に電力に変えるために、圧電の影響を利用しています。陶器、ポリマー、ナノ構造体など、さまざまな圧電材料がエネルギー収集器への利用について研究されてきた。また、性能を向上させるためのデバイス設計やアプローチにも多くの進歩が見られます。しかし、圧電エネルギーハーベスティングの可能性を完全に実現するためには、さらなる研究が必要である。出力電力密度は、小型ワイヤレスセンサーを超える実用的なアプリケーションとしては、比較的低いままです。信頼性もまた、材料特性の最適化や、繰り返し動作に対するデバイスの安定性によって改善する必要があります。インピーダンス整合や電圧変換などの集積化の課題にも注意が必要である。この総説では、圧電エネルギーハーベスタの構造設計、製造技術、性能改善戦略、および応用について探求する。特に、PVDFやZnOのような次世代ウェアラブルデバイスの可能性を秘めた材料を用いたフレキシブルなエネルギーハーベスタに焦点を当てている。大きな進歩が見られる一方で、高性能材料、機械的に最適化された設計、よりシンプルな電力変換回路への継続的な取り組みは、圧電エネルギーハーベスティングの商業化を加速させるのに役立つだろう。その可能性を最大限に実現するためには、現在進行中の学際的研究を通じて、現在の課題に取り組む必要があります。

よくあるご質問

Q: 圧電とは何ですか？

A: 圧電性とは、機械的または電気的な外力によって、加えられた材料に電荷が発生すること、または特定の電界中で寸法が変化することを意味します。セラミックス、宝石、有機物など、核スケールのバランスの中心を必要とする材料に存在します。

Q: 圧電材料の代表例をいくつか挙げてください。

A: 一般的な圧電材料には、石英のような宝石や、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）陶器、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、およびそれらの共重合体を含む製造されたマトリックスがあります。

Q: 圧電エネルギー収集装置の動力源は何ですか？

A: 圧電材料は一般的に、加えられた圧力に比例した機械的ひずみに反応して電荷を生じます。圧電エネルギー収集器では、この電荷が蓄積され、MVデバイスに運ばれます。通常の設計では、カンチレバーやシンバルのセットアップで材料を利用し、包括的な振動を引張ひずみや圧縮ひずみに変えて電荷を促します。

Q: ギャザラーの実行に影響を与える変数は何ですか？

A: 実行性は、圧電係数のような材料特性、端子設計、側面、使用される前負荷や検証質量に依存します。材料/インターフェースの設計により、内部/外部スクリーニングの影響を減少させることが、さらに実行性を高めます。

Q:これらのギャザラーにはどのような用途がありますか？

A: アプリケーションには、燃料LED、小さなハードウェア、歩幅から刈り取るリモート・センサー・ハブ、身体開発、現代的な振動が組み込まれており、それはほんの始まりに過ぎません。特に、自己燃料式のウェアラブルやIoTガジェットには心強い。

Q：残された主な課題は何ですか？

A: 低い電力密度、繰り返し使用における安定した品質、インピーダンス・マッチングの問題、反応範囲の制限などが主な問題である。材料特性、装置モデル、電力回路をブレンドすることで、商業化を加速するための困難への対処を支援することができる。