Команда инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала новый тип ячейки на биотопливе, способной извлекать энергию из пота, выделяемого кончиками пальцев. Также эту ячейку можно соединить с пьезоэлектрическими генераторами, чтобы накапливать энергию нажатия пальцем на твёрдую поверхность. Работа опубликована в журнале Joule.

Носимая электроника сейчас очень популярна. Только в первом квартале 2021 года потребители приобрели более 100 млн подобных товаров – это умные часы, фитнес-трекеры, очки дополненной реальности и прочее. За второй квартал продажи выросли на 34,4% по сравнению с прошлым годом.

Повышается спрос на практичные и эффективные методы сбора энергии, позволяющие бесперебойно питать эти гаджеты. Большая часть современных устройств работает на электрохимических аккумуляторах и суперконденсаторах. Однако заряд в этих батарейках в любом случае ограничен. Один из вариантов продления срока работы гаджетов – использование устройств, непрерывно собирающих энергию человека и окружающей среды – солнечного света, движений человека, биотоплива, разницы температур.

Главной метрикой эффективности подобных продуктов служит энергетическая рентабельность (EROI) — соотношение полученной энергии к затраченной. По словам соавтора работы Джозефа Вонга, в лаборатории которого восемь лет назад разработали биотопливные ячейки, извлекающие энергию из лактата, содержащегося в поте, обычно разработчикам нужно максимизировать эту рентабельность. Например, устройства, собирающие энергию движения человека, способны утилизировать не более 1% энергии, выделяемой во время тяжёлых физических упражнений.

Однако его команда решила разработать устройство, адаптированное к ежедневной активности человека, и не требующее практически никакого энергетического вклада – чтобы можно было забыть об устройстве, и пойти спать, или, сидя за компьютером, набивать на клавиатуре текст. Он назвал это «энергией ничегонеделания».

Кончики пальцев человека выделяют больше пота, чем кажется, потому что они постоянно проветриваются и пот испаряется. Кроме того, концентрация потовых желёз на кончиках пальцев выше, чем где бы то ни было на теле, включая подмышки. По словам соавтора работы Лю Йина, неважно, насколько чистые у вас руки – отпечатки пальцев вы оставляете везде. Это как раз остатки вашего пота с метаболитами. Этим свойством и воспользовались учёные.

Их ячейка представляет собой тонкую гибкую плёнку, оборачиваемую вокруг кончика пальца как пластырь. Электроды, состоящие из углеродной пены и гидрогеля, поглощают пот. Ферменты электродов запускают химическую реакцию лактата и кислорода, которая вырабатывает электричество. Пьезоэлектрический чип позволяет добывать дополнительную энергию из нажатий.

Команда обнаружила, что их ячейки выдают почти по 400 мДж на квадратный сантиметр, и этого достаточно для питания наручных часов – при этом подопытный просто спал. За час печати на клавиатуре и кликания мышкой с одного пальца вырабатывается почти 30 мДж. Йин говорит, что во сне вы вообще не напрягаетесь, а нажимая на кнопку, делаете энергетический вклад, равный всего половине мДж.

Устройство справа собирает пот с пальцев и питает датчик витамина С и дисплей (слева)

Для демонстрации практичности устройства исследователи соединили свою ячейку с небольшим химическим датчиком, оснащённым дисплеем. Они подключили систему к пациенту для отслеживания уровня витамина С после его приёма. В другом эксперименте датчик считал количество ионов натрия в морской воде. Оказалось, что датчик и дисплей можно питать энергией, делая пять нажатий пальцем каждые десять секунд, или просто поносив плёнку на пальцах две минуты.