En utilisant des polymères conducteurs flexibles et de nouveaux motifs de circuits imprimés sur papier, les chercheurs ont démontré des générateurs thermoélectriques portables de preuve de concept qui peuvent récupérer l'énergie de la chaleur corporelle pour alimenter des biocapteurs simples pour mesurer la fréquence cardiaque, respiration ou d'autres facteurs.

En raison de leurs schémas de câblage fractal symétriques, les appareils peuvent être coupés à la taille nécessaire pour fournir les exigences de tension et d'alimentation pour des applications spécifiques. Les générateurs modulaires pourraient être imprimés à jet d'encre sur des substrats flexibles, y compris le tissu, et fabriqué à l'aide de techniques de rouleau à rouleau peu coûteuses.

"L'attrait des générateurs thermoélectriques, c'est qu'il y a de la chaleur tout autour de nous, " dit Akanksha Menon, un doctorat étudiant à la Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Si nous pouvons exploiter un peu de cette chaleur et la transformer en électricité à peu de frais, il y a une grande valeur. Nous travaillons sur la façon de produire de l'électricité avec la chaleur du corps."

La recherche, soutenu par PepsiCo, Inc. et le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne, a été signalé en ligne dans le Journal de physique appliquée le 28 septembre.

Générateurs thermoélectriques, qui convertissent directement l'énergie thermique en électricité, sont disponibles depuis des décennies, mais les conceptions standard utilisent des matériaux inorganiques inflexibles qui sont trop toxiques pour être utilisés dans des appareils portables. La puissance de sortie dépend du différentiel de température qui peut être créé entre deux côtés des générateurs, ce qui rend la fonction de la chaleur corporelle difficile. Obtenir suffisamment d'énergie thermique à partir d'une petite zone de contact sur la peau augmente le défi, et la résistance interne dans l'appareil limite finalement la puissance de sortie.

Pour surmonter cela, Menon et ses collaborateurs du laboratoire de la professeure adjointe Shannon Yee ont conçu un appareil avec des milliers de points composés de polymères de type p et de type n alternés dans une disposition étroitement emballée. Leur motif convertit plus de chaleur par unité de surface en raison des grandes densités d'emballage permises par les imprimantes à jet d'encre. En rapprochant les points de polymère, la longueur d'interconnexion diminue, ce qui à son tour abaisse la résistance totale et entraîne une puissance de sortie plus élevée de l'appareil.

"Au lieu de connecter les points de polymère avec un schéma de câblage en serpentin traditionnel, nous utilisons des schémas de câblage basés sur des courbes de remplissage d'espace, comme le modèle de Hilbert - une courbe continue de remplissage d'espace, " dit Kiarash Gordiz, un co-auteur qui a travaillé sur le projet alors qu'il était doctorant. étudiant à Georgia Tech. "L'avantage ici est que les motifs de Hilbert permettent la conformation de la surface et l'auto-localisation, qui fournit une température plus uniforme à travers l'appareil."

La nouvelle conception du circuit présente également un autre avantage :sa conception à symétrie fractale permet aux modules d'être découpés le long des limites entre les zones symétriques pour fournir exactement la tension et la puissance nécessaires pour une application spécifique. Cela élimine le besoin de convertisseurs de puissance qui ajoutent de la complexité et retirent de l'énergie au système.

"C'est précieux dans le contexte des wearables, où vous voulez le moins de composants possible, ", a déclaré Menon. "Nous pensons que cela pourrait être un moyen très intéressant d'étendre l'utilisation de la thermoélectricité pour les appareils portables."

Jusque là, les appareils ont été imprimés sur du papier ordinaire, mais les chercheurs ont commencé à explorer l'utilisation des tissus. Le papier et le tissu sont flexibles, mais le tissu pourrait être facilement intégré dans les vêtements.

"Nous voulons intégrer notre appareil dans les textiles commerciaux que les gens portent tous les jours, " a déclaré Menon. " Les gens se sentiraient à l'aise de porter ces tissus, mais ils seraient capables d'alimenter quelque chose avec juste la chaleur de leur corps."

Avec le nouveau design, les chercheurs s'attendent à obtenir suffisamment d'électricité pour alimenter de petits capteurs, dans la gamme des microwatts aux milliwatts. Cela suffirait pour de simples capteurs de fréquence cardiaque, mais pas des appareils plus complexes comme les trackers de fitness ou les smartphones. Les générateurs peuvent également être utiles pour compléter les batteries, permettant aux appareils de fonctionner pendant de plus longues périodes.

Parmi les défis à venir figurent la protection des générateurs contre l'humidité et la détermination de leur proximité avec la peau pour transférer l'énergie thermique, tout en restant confortables pour les utilisateurs.

Les chercheurs utilisent des matériaux de type p disponibles dans le commerce, et travaillent avec des chimistes de Georgia Tech pour développer de meilleurs polymères de type n pour les futures générations d'appareils pouvant fonctionner avec de faibles différences de température à température ambiante. La chaleur corporelle produit des écarts aussi petits que cinq degrés, contre cent degrés pour les générateurs utilisés dans le cadre des tuyauteries et des conduites de vapeur.

"Un avantage futur de cette classe de matériau polymère est le potentiel d'un matériau thermoélectrique peu coûteux et abondant qui aurait une conductivité thermique intrinsèquement faible, " dit Yee, qui dirige le laboratoire dans le cadre de la Woodruff School of Mechanical Engineering. « La communauté de l'électronique organique a fait d'énormes progrès dans la compréhension des propriétés électroniques et optiques des matériaux à base de polymères. Nous nous appuyons sur ces connaissances pour comprendre le transport thermique et thermoélectrique dans ces polymères afin de permettre de nouvelles fonctionnalités de dispositifs.

Parmi les autres perspectives pour les matériaux en cours de développement figurent des dispositifs de refroidissement localisés qui inversent le processus, utiliser l'électricité pour déplacer l'énergie thermique d'un côté d'un appareil à l'autre. Refroidir uniquement certaines parties du corps pourrait procurer une perception de confort sans le coût d'une climatisation grand espace, Yee a dit.