انرژی تعریق

امروزه استفاده از وسائلی مثل ساعت و مچ‌بند هوشمند بسیار فراگیر شده‌ است. اما این وسائل، مانند سایر «گجت‌های پوشیدنی» (wearables)، با معضل تأمین انرژی مواجه‌ اند. گجت‌های پوشیدنی بسته به کاربردشان، به توانی بین یک تا ده‌ها میلی‌وات نیاز دارند و باتری‌های کوچک با حداکثر توان سیصد میلی‌آمپر‌ساعت، تنها می‌توانند انرژی چند روز آن‌ها را تأمین کنند. برای افزایش طول عمر باتری‌های به کار رفته در این گجت‌ها، باید از باتری‌های بزرگ و حجیم استفاده کرد ولی از آنجا که انعطاف‌پذیری و کوچک‌ بودن، ویژگی مهم این گجت‌هاست، باتری‌های بزرگ امروزی در آن‌ها قابل استفاده نیستند.برای حل این مشکل، برخی محققان به‌دنبال تولید باتری‌ها و ابر‌خازن‌های انعطاف‌پذیر هستند اما تولید آن‌ها هزینۀ زیادی دارد. عده‌ای دیگر قصد دارند با استفاده از فناوری (Near-Field Communication) NFC مشکل استفاده از باتری‌ها را حل کنند؛ ولی این روش نیز نیاز به وجود یک منبع انرژی در فاصلة نزدیک دارد و دور شدن از آن، عملکرد گجت‌ها را مختل می‌کند.اما در بخش سنسور‌های پوشیدنی دانشگاه سن‌دیه‌گوی کالیفرنیا، با استخراج انرژی از بدن فرد، به ویژه از طریق سوخت‌های‌ زیستی مثل عرق، روش متفاوتی برای حل این معضل انرژی یافته‌اند. با این ایده، می‌توان گجت‌های پوشیدنی را آنقدر کوچک ساخت که فرد حتی وجودشان را احساس نکند. آن‌ها این دستگاه‌ها را «پوشیدنی‌های نامحسوس»(Unaware-ables) نامیده‌اند.ایدۀ استخراج انرژی از بدن یا محیط، ایدۀ جدیدی نیست و از قدیم با استفاده از حرکت بدن، نور محیط و یا گرمای بدن انجام می‌شده‌است: ساعت‌های خودکار، در گذشته به وسیلۀ وزنه‌های مکانیکی و اکنون به صورت الکتریکی، از طریق سیم‌پیچ‌های القایی یا مواد «پیزوالکتریک»(Piezoelectric)، از حرکات بدن برای تولید انرژی استفاده کرده و می‌کنند. سلول‌های خورشیدی کوچک، دهه‌ها در ماشین‌حساب‌ها برای تأمین انرژی از نور به کار رفته‌اند. ژنراتور‌های ترموالکتریک نیز با استفاده از تفاوت دمای بدن با محیط اطراف، انرژی تولید می‌کنند. اما هر یک از این روش‌ها محدودیت‌هایی برای تأمین انرژی گجت‌های پوشیدنی دارند. دلیل محققان دانشگاه سن‌دیه‌گو برای استفاده از تعریق بدن این است که مواد شیمیایی موجود در عرق می‌توانند به عنوان سوخت در سلول‌های سوختی کوچک به کار روند و نسبت به سایر روش‌های موجود، چگالی انرژی بیشتری را در مقیاس عملی و در ابعاد گجت‌های پوشیدنی فراهم کنند.سلول‌ سوختی مجموعه‌ایست که از الکترودهای آند و کاتد و یک الکترولیت در میان آن دو تشکیل شده‌است. در فرآیند تولید انرژی، ابتدا سوخت وارد آند می‌شود و در آنجا یک مادۀ کاتالیست مولکول‌های سوخت را به الکترون و پروتون تبدیل می‌کند. سپس پروتون‌ها از طریق یک غشاء درون سلول و الکترون‌ها پس از عبور از مدار به کاتد می‌روند. اولین نمونۀ سلول‌ سوختی توسط William Robert Grove در سال 1839 ساخته شد که در آن از هیدروژن به عنوان سوخت و اکسیژن به عنوان کاتالیست استفاده شده بود. اما هیدروژن سوخت مناسبی برای سلول سوختی گجت‌های پوشیدنی نیست زیرا بسیار اشتعال‌زا و کمیاب است، در حالی که عرق، بی‌خطر بوده و هنگام فعالیت بدنی بسیار در‌دسترس است.عرق به جز آب، دارای مقدار زیادی مواد ‌معدنی و موادی مثل گلوکز و «لاکتات»(Lactate) است. محققان، به طور ویژه بر استفاده از لاکتات تأکید دارند؛ زیرا مقدار آن، با فعالیت بدنی افزایش می‌یابد. آن‌ها در سلول سوخت زیستی مبتنی بر عرق، از لایه‌ای از آنزیم استفاده می‌کنند تا با لاکتات واکنش دهد و آن را به الکترون و پروتون تجزیه کند. با اینکه به دلیل تولید مداوم سوخت‌های زیستی در بدن، کمبود سوخت وجود ندارد اما مشکل عمده این است که پس از مدتی، لایۀ آنزیم از بین می‌رود و باید پَد سوختی را جدا کرده و لایۀ آنزیم را دوباره احیاء کرد. برای جلو‌گیری از این مشکل، این گروه روی تولید پَد‌های پوشیدنی قابل تعویض که خارج از بدن قرار می‌گیرند تمرکز کرده‌است.محققان سن‌دیه‌گو، اولین سلول سوخت زیستی خود را در سال 2014 روی یک سر‌بند و نوعی دست‌بند پیاده‌سازی کردند. در آزمایش‌های انجام شده، هر فرد سربند و دست‌بند عرق‌گیر را می‌پوشید و با دوچرخة ثابت تمرین می‌کرد. هر یک از سلول‌های سوختی به یک مبدل DC به DC متصل بود تا سطح ولتاژ را به ولتاژ مورد نیاز یک LED کوچک و یک ساعت دیجیتال تبدیل کند. در این آزمایش،‌ سلول‌های سوختی چگالی توانی به اندازة 100 میکرو‌وات بر سانتی‌متر‌مربع تولید کردند که برای روشن کردن LED و ساعت کافی بود و از سایر روش‌های تولید انرژی مثل ژنراتور ترموالکتریک و سلول خورشیدی (در نور معمولی اتاق) چگالی انرژی بیشتری تولید می‌کرد.این، اولین نمونة سلول سوخت زیستی پوشیدنی بود که به راحتی پوشیده می‌شد و با خمش‌های مکرر همچنان کارایی خود را حفظ می‌کرد؛ اما مشکلش این بود که نمی‌توانست به اندازۀ کافی برای یک ردیاب سلامتی پیچیده یا یک ساعت هوشمند انرژی تولید کند؛ زیرا این گجت‌ها کار‌هایی بیشتر از یک ساعت دیجیتال انجام می‌دهند و حداقل دارای قطعاتی مثل شتاب‌سنج، حافظه و فرستندۀ بلوتوث هستند. این قطعات در کنار هم حدود یک یا دو میلی‌وات توان نیاز دارند که حدود ده برابر توان تولیدی سلول سوخت زیستی است. از آنجا که برتری این سلول در برابر سایر روش های تولید انرژی، چگالی انرژی بیشتر آن است، توان تولیدی این سلول‌ها باید باز هم افزایش می‌یافت.محققان با بازنگری طراحی سلول‌ها متوجه شدند که تخت بودن سطح آند موجب محدود شدن سطح تماس سلول با عرق می شود. آن‌ها با کمک تیمی از کالج سن‌دیه‌گو، توانستند ساختاری سه‌بعدی از نانو‌لوله‌های کربنی طراحی کنند که با اتصال به بالای آند و کاتد باعث افزایش سطح تماس مؤثر آن‌ها شود، بدون اینکه حجم کل دستگاه افزایش یابد. با افزایش سطح تماس مؤثر و چند ارتقاء دیگر در ترکیب مواد کاتالیست، آن‌ها توانستند انرژی تولید شده را ده برابر و تا حدود یک میلی‌‌وات بر سانتی‌متر‌مربع افزایش دهند که برابر چگالی انرژی تولید شده توسط سلول خورشیدی در نور مستقیم خورشید است. این طراحی توانست انرژی مورد نیاز مجموعه‌ای متشکل از یک فرستندۀ بلوتوث، یک میکروپروسسور، سنسور دما و مبدل ولتاژ را که روی بازوی آزمایش‌شونده (دوچرخه‌سوار) قرار گرفته بود، به خوبی تأمین کند.ویژگی مهم دیگر این پَدهای سوختی پوشیدنی این است که علاوه بر انعطاف‌پذیری باید کشسان نیز باشند تا به خوبی با سطح پوست هم شکل شوند؛ اما می‌دانیم الکترودهای سه‌بعدی کربنی منعطف نیستند. برای همین آن‌ها برای حل این مشکل با کمک گروه همکارشان، از ساختار «پل و جزیره‌ای» برای ارتباط نانولوله‌های کربنی استفاده کردند. در این طراحی، نانو‌لوله‌های کربنی که نیمی از آن‌ها آند و نیمی دیگر کاتد بودند، نقش جزیره را داشته و سیم‌های نازک فنرمانند، پل‌های ارتباطی متصل کنند‌ة آن‌ها بودند. البته این ساختار به‌ دلیل شکل مکانیکی‌اش دارای مشکلاتی است که محققان همچنان روی راه‌حل آن کار می‌کنند.تا اینجا دیدیم که لازمة کار این سلول‌های سوختی، وجود تعریق است و اگر عرق به میزان لازم موجود نباشد، سلول‌ها از کار می‌افتند. از آنجا که استفاده از این پَدها نباید مختص ورزشکاران و شرایط خاص باشد، برای حل این مشکل می‌توان المان‌های ذخیره‌ساز انرژی و یا سایر روش‌های تولید انرژی را به عنوان مکمل به‌کار برد.در مواردی که تأمین دائم انرژی لازم است، می‌توان از باتری‌ها یا ابرخازن‌ها استفاده کرد و برای این‌کار به باتری‌ها و خازن‌هایی انعطاف پذیر و کشسان نیاز داریم. در سال گذشته گروهی در دانشگاه سن‌دیه‌گو توانستند خازن‌هایی انعطاف‌پذیر برای ذخیر‌ۀ انرژی حاصل از تعریق بسازند. همچنین آن‌ها توانستند از نسخۀ اولیۀ باتری منعطف اکسید روی و نقره رونمایی کنند که می‌تواند صدها بار شارژ شود (هرچند که هنوز با مشابه‌های غیرمنعطف خود، از لحاظ میزان چگالی انرژی تولیدی، بسیار فاصله دارد). برای افزایش احتمال تولید انرژی در شرایط مختلف نیز، می‌توان از ادغام همۀ روش‌های تولید انرژی استفاده کرد تا هر زمان، یک یا چندتا از این روش‌ها به تأمین انرژی بپردازند. به این ساختار که متشکل از مجموعه‌ای از روش‌های تولید انرژی برای تغذیۀ گجت‌هاست، «ساندویچ انرژی»(Energy Sandwich) می‌گویند.سلول‌های سوخت زیستی علاوه بر تأمین انرژی، کاربرد شگفت‌انگیز دیگری هم دارند. از آنجا که میزان انرژی تولیدی در این سلول‌ها به مواد زیستی موجود در ترشحات (از جمله، لاکتات، گلوکز و نمک) بستگی دارد، سلول‌های سوخت زیستی به عنوان یک سنسور بی‌نیاز از باتری نیز کاربرد دارند. از این فناوری می‌توان در ساخت سنسور‌های خود‌شارژشونده(Self-Powered) استفاده کرد که کار حس‌گری و تأمین انرژی خود را به طور همزمان انجام می‌دهند.استفاده از سوخت‌های زیستی، شیوة جدیدی است و تنها به تعریق نیز محدود نمی‌شود. بسیاری از ترشحات بدن مثل اشک، بزاق دهان و غیره، می‌توانند به روش مشابه مورد استفاده قرار گیرند. اما همانطور که دیدیم، این کار چالش‌های مختلفی دارد. با ارتقاء دوام و کارایی این سیستم‌ها و بررسی نحوة ادغام روش‌های متفاوت تولید انرژی، این فناوری باید بتواند در شرایط مختلف و در کاربردهای گسترده‌تر قابل استفاده باشد. با دستیابی به این ویژگی‌ها، می‌توانیم در آیندة نزدیک گجت‌هایی کوچک، انعطاف پذیر، مقاوم و قابل شستشو داشته‌ باشیم که این، همان افق پیش ‌روی پوشیدنی‌های نامحسوس است.https://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/why-sweat-will-power-your-next-wearable