Redes desportivas piezoeléctricas: equipamento desportivo com captação de energia

O índice começa com uma Introdução que fornece uma visão geral da captação de energia piezoeléctrica e do seu significado na tecnologia vestível. Segue-se uma secção sobre Materiais Piezoeléctricos, que aborda os materiais inorgânicos, tais como Óxido de zinco (ZnO) e Titanato de zirconato de chumbo (PZT), bem como materiais poliméricos como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) e os seus copolímeros, juntamente com materiais bio-piezoeléctricos. Em seguida, o documento aborda Conceção e fabrico de redes desportivasA secção sobre o desempenho da recolha de energia explora a energia cinética gerada por atletas através da análise de forças e cálculos de energia, juntamente com a energia vibratória recolhida dos adeptos, dando ênfase às taxas de queda dos pés e às velocidades de marcha. A secção sobre Performance de Recolha de Energia explora a energia cinética gerada por atletas através da análise de forças e cálculos de energia, juntamente com a energia vibracional recolhida de ventoinhas, dando ênfase às taxas de passos e velocidades de marcha. A secção Aplicações descreve a utilização da tecnologia piezoeléctrica em áreas médicas, como a monitorização do pulso arterial e a estimulação cerebral profunda, bem como no desempenho desportivo para monitorização muscular e deteção da velocidade da bola. Destaca também outras aplicações inovadoras, como a recolha de energia eólica e os pacemakers auto-alimentados. Na secção "Desafios e trabalho futuro", o documento aborda os principais desafios, como as limitações de desempenho dos dispositivos, as preocupações com a fiabilidade, a integração com a eletrónica e as questões relacionadas com a usabilidade e a otimização dos materiais. A conclusão resume os progressos alcançados e descreve as futuras direcções para a investigação e desenvolvimento. Por fim, uma secção de perguntas frequentes (FAQ) fornece respostas concisas a questões comuns sobre piezoeletricidade, materiais, mecanismos de captação de energia, factores de desempenho, aplicações e desafios actuais neste domínio.

Com o rápido desenvolvimento de aparelhos electrónicos compactos e portáteis, a captação da energia circundante a partir de exercícios humanos e movimentos substanciais surgiu como uma resposta promissora para alimentar estes aparelhos. Os colectores de energia piezoeléctrica destacam-se especificamente pela sua capacidade de transformar as vibrações e tensões mecânicas em energia de forma simples. Este estudo pretende dar a conhecer os progressos em curso nos colectores de energia piezoeléctrica e as suas possíveis aplicações. Começa-se por apresentar o padrão de funcionamento da piezoeletricidade, em que as ansiedades mecânicas produzem cargas em materiais resistentes específicos. São depois examinados alguns materiais piezoeléctricos normalmente utilizados, incluindo materiais inorgânicos como a cerâmica PZT e o ZnO, bem como o polímero natural PVDF. São igualmente inspeccionadas as metodologias de fabrico destes materiais em ceifeiros de energia. São investigados os factores que influenciam a execução dos colectores, como as propriedades dos materiais, a conceção dos aparelhos e os procedimentos para desenvolver a eficácia. São resumidas diferentes aplicações, desde a condução de sensores e objectos vestíveis até à recolha de energia de ciclos modernos. Por fim, as dificuldades de fluxo e os rumos futuros são enquadrados para aconselhar o avanço e a interpretação em relação à coleta de energia piezoelétrica. Ao examinar as partes principais dos colectores piezoeléctricos, este estudo espera funcionar como uma valiosa apresentação e referência neste campo em rápida expansão.

Uma pesquisa de informação mostra que o interesse mundial em "recolha de energia piezoeléctrica" se desenvolveu consideravelmente a partir de 2004, demonstrando uma maior atenção a este campo. De janeiro de 2004 a novembro de 2022, a procura deste termo aumentou mais de 400%. Houve grandes áreas de força, especialmente a partir de 2010, concordando com os avanços em dispositivos adaptáveis e wearables que impulsionam o interesse por avanços autoalimentados. A consulta relacionada com "materiais piezoeléctricos" mostra um volume constante de pesquisas, sugerindo um interesse consistente nos fundamentos. São efectuadas mais pesquisas em países desenvolvidos como os Estados Unidos, o Reino Unido, a Alemanha, o Japão e a Coreia do Sul do que noutras partes do mundo. Estes países tendem a ser centros de inovação para aplicações piezoeléctricas. Quando analisadas por indústria, as pesquisas são desproporcionalmente provenientes dos sectores da engenharia e da eletrónica, o que se alinha com as utilizações da piezoeletricidade em sensores, actuadores e dispositivos de energia. O meio académico também é responsável por uma parte notável das pesquisas, indicando uma atividade de investigação significativa. Em resumo, os dados de pesquisa reflectem um interesse global considerável e crescente nas tecnologias de captação de energia piezoeléctrica nas últimas duas décadas. Este crescimento coincidiu com avanços que permitiram novas aplicações, apoiando a importância e o potencial futuro deste domínio.

Materiais Piezoeléctricos

Os materiais piezoeléctricos podem ser divididos em materiais inorgânicos e naturais em função da sua organização sintética. Os materiais inorgânicos investigados incorporam amplamente as cerâmicas de ZnO e de titanato de zirconato de chumbo (PZT), enquanto o fluoreto de polivinilideno (PVDF) é um polímero piezoelétrico natural regularmente utilizado.

Materiais piezoeléctricos inorgânicos

ZnO

O ZnO tem uma construção de pedra preciosa de wurtzite, que não se destaca pela sua uniformidade, permitindo-lhe produzir cargas eléctricas à luz de esforços mecânicos. É um material piezoelétrico de leitura geral pelo seu elevado coeficiente piezoelétrico, custo mínimo e simplicidade de síntese em diferentes nanoestruturas. Várias morfologias de ZnO, incluindo nanofios, nanopartículas e nanofolhas, foram consideradas para aplicações de recolha de energia.

PZT

O titanato de zirconato de chumbo (PZT) é outro material de barro ferroelétrico amplamente considerado devido aos seus elevados coeficientes piezoeléctricos de cerca de 500-600 pm/V. O PZT existe em estruturas de película maciças e delicadas que podem ser criadas por sinterização de resposta de estado forte, manuseamento de sol-gel, vacilação e assim por diante.

Outros materiais

Alguns outros materiais piezoeléctricos com estrutura de perovskite incorporam arranjos fortes de BaTiO3 e niobato de chumbo e magnésio (PMN). Também outros cristais, como o niobato de lítio (LiNbO3) e o tantalato de lítio (LiTaO3), apresentam excelentes caraterísticas piezoeléctricas. O mesmo se pode dizer do sulfureto de zinco (ZnS) e do arsenieto de gálio (GaAs).

Materiais piezoeléctricos poliméricos

PVDF

O PVDF é o polímero piezoelétrico mais utilizado devido à sua adaptabilidade, baixa espessura, inocuidade e excelentes propriedades mecânicas. Foram criadas diferentes estruturas, incluindo películas, pós, filamentos e camadas alargadas de PVDF.

Copolímeros de PVDF

Exemplos de copolímeros são o poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno) P(VDF-TrFE) e o poli (fluoreto de vinilideno hexafluoropropileno P(VDF-HFP) preparado através da expansão de monómeros TrFE ou HFP. Estes podem aumentar o conteúdo da fase β e as propriedades piezoeléctricas em comparação com o PVDF puro.

Materiais bio-piezoeléctricos

Verificou-se que algumas estruturas proteicas, como as fibrilas de colagénio nos ossos ou tendões e a quitina nas carapaças dos crustáceos, exibem piezoeletricidade. As suas nanoestruturas e organizações cristalinas conduzem a dipolos piezoeléctricos.

Redes de desporto Conceção e fabrico

Design de placa plana

Uma conceção típica e simples para os ceifeiros de energia piezoeléctrica é a estrutura de placa plana. Esta é constituída por materiais piezoeléctricos, por exemplo, círculos piezocerâmicos ou folhas de PVDF, unidos a um substrato inflexível com cátodos metálicos nos dois lados. Quando sujeito a uma força mecânica externa, o material piezoelétrico dobra-se e induz tensão nas superfícies para gerar cargas de superfície. Podem ser empilhadas várias folhas piezoeléctricas em paralelo para aumentar a potência.

Estruturas curvas

As estruturas curvas com movimento de flexão podem produzir uma tensão maior em comparação com as estruturas planas, resultando num desempenho de saída mais elevado. Os desenhos mais comuns incluem fitas piezoeléctricas, estruturas em forma de címbalo e estruturas fusiformes. O substrato curvo pode intensificar a deformação da camada piezoeléctrica quando é aplicada uma força.

Métodos de fabrico

Síntese hidrotermal

A síntese hidrotérmica é uma técnica baseada em arranjos de despesas mínimas para a criação de diferentes nanoestruturas 1D, por exemplo, nanofios e nanobastões de semicondutores piezoeléctricos. Através do controlo da temperatura, do valor do pH e do tempo de desenvolvimento, as morfologias podem ser controladas.

Electrospinning

A electrospinning é capaz de produzir fibras ultrafinas longas e contínuas com diâmetros de microns a nanómetros. Tem sido amplamente utilizado para sintetizar fibras de polímero piezoelétrico 1D para captadores de energia, ajustando os parâmetros de síntese.

Transferência de impressão

A montagem baseada na impressão-transferência proporciona uma abordagem precisa e de elevado rendimento para matrizes densas e estruturas com padrões. O piezoelétrico/substrato pode ser impresso e transferido camada a camada com registo controlado.

Desempenho da captação de energia

Energia cinética dos atletas

Análise de forças

Para estimar a energia cinética gerada pelos atletas, é analisada a literatura sobre medições de força de vários estudos de biomecânica de atletas. Os testes de placas de força fornecem dados sobre a força de reação do solo que sobe e desce rapidamente, formando um pico de impacto. Os estudos revelam forças de 1,6-2,3 vezes o peso corporal durante a corrida. As forças dependem de variáveis como a anatomia, a força muscular, a velocidade e o tipo de movimento.

Cálculo da energia

Utilizando o peso médio do jogador de 248 lbs de um estudo da Scripps Howard, a massa correspondente é de 112,49 kg. Com uma aceleração gravitacional de 9,80 m/s2, a massa do jogador é de 1.102,41 N. Para calcular a energia cinética gerada, é necessário determinar a taxa de aceleração. Diversos estudos analisam a taxa de aceleração com que os atletas atingem a velocidade máxima. Usando uma velocidade máxima de 28 pés/segundo atingida em 27,34 jardas e um tempo de aceleração de 3,28 segundos, a taxa de aceleração é calculada como 8,52 m/s2. Inserindo na equação da energia cinética, a força por passo é estimada em 6.990,87 N.

Energia vibracional das ventoinhas

Velocidade de deslocação e velocidade de marcha

Para estimar o número de peões, foram analisados estudos sobre a velocidade média de deslocação. Com base em 7.123 peões examinados, a velocidade média de marcha dos idosos (51,45% do total) foi de 4,11 pés/segundo, enquanto os restantes peões andaram a 4,95 pés/segundo. São necessários 3,75 segundos para os idosos atingirem a velocidade média e 3 segundos para os restantes peões.

Recolha de energia a partir da queda dos pés

Utilizando a velocidade média estimada e o tempo de aceleração, a velocidade a 27,34 jardas, quando ocorre a velocidade máxima, pode ser calculada como 28 pés/segundo. O tempo necessário para atingir esta velocidade para um peão médio é de 3,28 segundos. Com base nisto, a taxa de aceleração é calculada como 8,52 m/s2. Aplicando esta taxa de aceleração à massa de um ser humano médio, a força por passo é estimada em 6.990,87 N. Utilizando a força por passo e a taxa determinada a partir da experiência Pavegen de geração de 7 watts por passo, estima-se a energia gerada por um ventilador médio por passo.

Aplicações

Aplicações médicas

Monitorização do pulso arterial

Foram desenvolvidos dispositivos piezoeléctricos portáteis para monitorizar de forma não invasiva as ondas de pulso arterial, o que fornece informações importantes para o diagnóstico e tratamento cardiovascular. Um compósito flexível feito de PVDF e ZnO NWs mostra potencial como um sensor de pressão de pulso auto-alimentado com tensão de saída e corrente atingindo 5 mV e 1,8 μA na posição arterial radial.

Estimulação cerebral profunda

Materiais piezoeléctricos como o PIN-PMN-PT foram utilizados em dispositivos de estimulação cerebral profunda para induzir a contração dos músculos dos membros anteriores em ratos, demonstrando a sua eficácia em aplicações neurológicas como o controlo de convulsões e o alívio da dor.

Desempenho desportivo

Monitorização muscular

Os sensores piezoeléctricos vestíveis têm aplicações potenciais para monitorizar a atividade e o movimento muscular através da deteção de sinais de eletromiografia (EMG). Um sensor feito de microfibras de alumina/PDMS detecta a atividade muscular do bíceps com elevada sensibilidade e durabilidade.

deteção da velocidade da bola

Os recintos desportivos exploraram a utilização de materiais piezoeléctricos, como o PZT, para medir as forças de impacto nas raquetes/batentes ou a velocidade de rotação das bolas, como nos serviços de ténis, para analisar o desempenho. Os resultados foram bem correlacionados com as medições efectuadas por câmaras de alta velocidade.

Outras aplicações

Recolha de energia eólica

Foram propostos transdutores em compósito de macrofibras ligados a asas serrilhadas como geradores piezoeléctricos instalados no centro de ventiladores/bicos de turbinas eólicas para recolher a energia do fluxo de ar em espaços interiores de 0-35 Hz a velocidades até 10 m/s.

Pacemaker auto-alimentado

Foram implantados em modelos animais pacemakers sem fios alimentados por nanogeradores piezoeléctricos sob a forma de colectores flexíveis, como um potencial substituto dos dispositivos alimentados por bateria, eliminando a cirurgia de substituição.

Desafios e trabalho futuro

Embora tenham sido feitos progressos significativos na captação de energia piezoeléctrica, continuam a existir vários desafios antes de se poderem realizar aplicações generalizadas. O desempenho do dispositivo representa um desafio fundamental. As densidades de energia alcançadas pelos geradores ainda são relativamente baixas, limitando a aplicação a nós sensores de pequena escala em vez de dispositivos que consomem mais energia. A melhoria da eficiência através da otimização das propriedades dos materiais e do aproveitamento de múltiplas fontes de energia poderá ajudar a resolver este problema. No entanto, a síntese de materiais avançados e a conceção de dispositivos complexos aumentam os custos. A fiabilidade é outra preocupação, uma vez que é necessário garantir a estabilidade a longo prazo sob cargas cíclicas e exposição ambiental. A caraterização dos tempos de vida à fadiga em diferentes condições de funcionamento contribuiria para a conceção de produtos fiáveis. A integração com a eletrónica é um desafio devido às incompatibilidades de impedância. Um circuito de gestão de energia eficiente é fundamental, mas aumenta a complexidade do sistema. A adaptação da colheita ao armazenamento direto de carga sem perdas de conversão poderia simplificar os projectos. A usabilidade exige também substratos macios, extensíveis e biocompatíveis que mantenham o desempenho ao longo de ciclos de deformação. Os compósitos multifuncionais que integram piezoeléctricos com polímeros oferecem uma solução promissora, mas as propriedades têm de ser optimizadas. A normalização dos protocolos de ensaio facilitaria a comparação entre as investigações. A inclusão de fontes de energia do mundo real e testes a longo prazo permitiriam avaliar melhor a viabilidade. No futuro, a abordagem destes desafios através de materiais avançados, designs mecanicamente optimizados, circuitos de energia simplificados e padrões de desempenho normalizados poderia acelerar a comercialização. A exploração total da piezoeletricidade exige uma exploração contínua à escala nanométrica, no sentido de filmes de cristal único com propriedades melhoradas.

Conclusão

A captação de energia piezoeléctrica tem sido considerada um grande avanço nos últimos tempos como uma resposta promissora para a condução de hardware conveniente através de vibrações mecânicas abrangentes. Esta inovação tira partido do impacto piezoelétrico para transformar a tensão mecânica em energia de forma simples. Diferentes materiais piezoeléctricos, incluindo cerâmica, polímeros e nanoestruturas, têm sido investigados para utilização em colectores de energia. Também se registaram grandes progressos na conceção de dispositivos e abordagens para melhorar o desempenho. No entanto, para concretizar plenamente o potencial da captação de energia piezoeléctrica, são ainda necessários mais trabalhos. As densidades de potência de saída continuam a ser relativamente baixas para aplicações práticas para além de pequenos sensores sem fios. A fiabilidade também precisa de ser melhorada através da otimização das propriedades dos materiais e da estabilidade do dispositivo durante o funcionamento cíclico. Os desafios de integração, como a correspondência de impedâncias e a conversão de tensão, também requerem atenção. Esta análise explora as concepções estruturais, as técnicas de fabrico, as estratégias de melhoria do desempenho e as aplicações dos colectores de energia piezoeléctricos. É dada especial atenção aos colectores de energia flexíveis que utilizam materiais como o PVDF e o ZnO, com potencial para dispositivos portáteis da próxima geração. Embora tenham sido feitos avanços significativos, os esforços contínuos em materiais de alto desempenho, designs mecanicamente optimizados e circuitos de conversão de energia mais simples ajudarão a acelerar a comercialização da captação de energia piezoeléctrica. Para concretizar todas as suas possibilidades, será necessário enfrentar os desafios actuais através de investigação multidisciplinar em curso.

FAQs

P: O que é a piezoeletricidade?

R: Piezoeletricidade significa que uma força externa, mecânica ou eléctrica, resulta no desenvolvimento de carga no material a que foi aplicada, ou que este muda de dimensão num campo elétrico específico. Localizada em materiais que requerem um centro de equilíbrio à escala nuclear, tais como cerâmicas, gemas e orgânicos.

Q: Enumere alguns materiais piezoeléctricos, que são exemplos típicos?

R: Os materiais piezoeléctricos comuns incluem pedras preciosas como o quartzo e matrizes fabricadas que incluem cerâmica de titanato de zirconato de chumbo (PZT), titanato de bário, óxido de zinco, nitreto de alumínio, fluoreto de polivinilideno (PVDF) e respectivos copolímeros.

P: O que alimenta um coletor de energia piezoeléctrica?

R: Os materiais piezoeléctricos, em geral, dão origem a uma carga eléctrica em resposta a uma tensão mecânica proporcional à pressão aplicada. Num coletor de energia piezoeléctrica, esta carga é acumulada e levada para um dispositivo de MV. As concepções normais utilizam o material numa configuração de cantilever ou de prato para transformar as vibrações envolventes em tensão de tração ou de compressão para gerar cargas.

P: Que variáveis influenciam a execução do gatherer?

R: A execução depende das propriedades do material, como o coeficiente piezoelétrico, a conceção do terminal, os aspectos, a pré-carga ou a massa de verificação utilizada. A redução dos impactos do rastreio interior/exterior através da conceção do material/interface desenvolve ainda mais a execução.

P: Quais são algumas das utilizações destes colectores?

R: As aplicações incorporam LEDs de alimentação, pequeno hardware, hubs de sensores remotos, colhendo de passos, desenvolvimentos corporais, vibrações modernas e isso é apenas o começo. São especialmente encorajadores para wearables auto-alimentados e gadgets IoT.

P: Quais são os principais desafios que subsistem?

R: As principais dificuldades incluem baixas densidades de potência, qualidade inabalável em caso de utilização cíclica, problemas de correspondência de impedância, intervalos de reação de recorrência restritos. A combinação de propriedades dos materiais, modelos de aparelhos e circuitos de potência pode ajudar a resolver as dificuldades para acelerar a comercialização.