Usando polímeros condutores flexíveis e novos padrões de circuitos impressos em papel, pesquisadores demonstraram geradores termoelétricos vestíveis de prova de conceito que podem coletar energia do calor do corpo para alimentar biossensores simples para medir a frequência cardíaca, respiração ou outros fatores.

Por causa de seus padrões de fiação fractais simétricos, os dispositivos podem ser cortados no tamanho necessário para fornecer os requisitos de tensão e energia para aplicações específicas. Os geradores modulares podem ser impressos a jato de tinta em substratos flexíveis, incluindo tecido, e fabricado usando técnicas baratas de rolo a rolo.

“A atração dos geradores termelétricos é que existe calor ao nosso redor, "disse Akanksha Menon, um Ph.D. estudante na Woodruff School of Mechanical Engineering no Georgia Institute of Technology. "Se pudermos aproveitar um pouco desse calor e transformá-lo em eletricidade de forma barata, há um grande valor. Estamos trabalhando para produzir eletricidade com o calor do corpo. "

A pesquisa, apoiado pela PepsiCo, Inc. e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, foi relatado online no Journal of Applied Physics em 28 de setembro.

Geradores termoelétricos, que convertem energia térmica diretamente em eletricidade, estão disponíveis há décadas, mas os designs padrão usam materiais inorgânicos inflexíveis que são muito tóxicos para uso em dispositivos vestíveis. A saída de energia depende do diferencial de temperatura que pode ser criado entre os dois lados dos geradores, o que torna a dependência do calor corporal um desafio. Obter energia térmica suficiente de uma pequena área de contato na pele aumenta o desafio, e a resistência interna no dispositivo, em última análise, limita a saída de energia.

Para superar isso, Menon e colaboradores no laboratório do professor assistente Shannon Yee projetaram um dispositivo com milhares de pontos compostos por polímeros alternados do tipo p e n em um layout compacto. Seu padrão converte mais calor por unidade de área devido às grandes densidades de embalagem habilitadas por impressoras a jato de tinta. Ao colocar os pontos de polímero mais próximos, o comprimento da interconexão diminui, o que, por sua vez, reduz a resistência total e resulta em uma maior saída de energia do dispositivo.

"Em vez de conectar os pontos de polímero com um padrão tradicional de fiação em serpentina, estamos usando padrões de fiação baseados em curvas de preenchimento de espaço, como o padrão Hilbert - uma curva contínua de preenchimento de espaço, "disse Kiarash Gordiz, um coautor que trabalhou no projeto enquanto era Ph.D. estudante da Georgia Tech. "A vantagem aqui é que os padrões de Hilbert permitem a conformação da superfície e a autolocalização, que fornece uma temperatura mais uniforme em todo o dispositivo. "

O novo design de circuito também tem outro benefício:seu design fractalmente simétrico permite que os módulos sejam cortados ao longo dos limites entre áreas simétricas para fornecer exatamente a tensão e a energia necessárias para uma aplicação específica. Isso elimina a necessidade de conversores de energia que aumentam a complexidade e retiram a energia do sistema.

"Isso é valioso no contexto de vestíveis, onde você deseja o mínimo de componentes possível, "disse Menon." Achamos que esta poderia ser uma maneira realmente interessante de expandir o uso de termelétricas para dispositivos vestíveis. "

Até aqui, os dispositivos foram impressos em papel comum, mas os pesquisadores começaram a explorar o uso de tecidos. Tanto o papel quanto o tecido são flexíveis, mas o tecido pode ser facilmente integrado na roupa.

"Queremos integrar nosso dispositivo aos têxteis comerciais que as pessoas usam todos os dias, "disse Menon." As pessoas se sentiriam confortáveis ​​usando esses tecidos, mas eles seriam capazes de alimentar algo apenas com o calor de seus corpos. "

Com o design inovador, os pesquisadores esperam obter eletricidade suficiente para alimentar pequenos sensores, na faixa de microwatts a miliwatts. Isso seria o suficiente para sensores de frequência cardíaca simples, mas não dispositivos mais complexos, como rastreadores de fitness ou smartphones. Os geradores também podem ser úteis para complementar as baterias, permitindo que os dispositivos operem por longos períodos de tempo.

Entre os desafios futuros estão proteger os geradores da umidade e determinar o quão perto eles devem estar da pele para transferir energia térmica - enquanto permanecem confortáveis ​​para os usuários.

Os pesquisadores usam materiais do tipo p disponíveis no mercado, e estão trabalhando com químicos na Georgia Tech para desenvolver melhores polímeros do tipo n para as gerações futuras de dispositivos que podem operar com pequenos diferenciais de temperatura em temperaturas ambientes. O calor corporal produz diferenças tão pequenas quanto cinco graus, em comparação com cem graus para geradores usados ​​como parte de tubulações e linhas de vapor.

"Um benefício futuro desta classe de material polimérico é o potencial para um material termoelétrico abundante e de baixo custo que teria uma condutividade térmica inerentemente baixa, "disse Yee, que dirige o laboratório como parte da Woodruff School of Mechanical Engineering. "A comunidade de eletrônica orgânica fez enormes avanços na compreensão das propriedades eletrônicas e ópticas de materiais à base de polímeros. Estamos construindo sobre esse conhecimento para compreender o transporte térmico e termoelétrico nesses polímeros para permitir a nova funcionalidade do dispositivo."

Entre as outras perspectivas para os materiais em desenvolvimento estão dispositivos de resfriamento localizados que invertem o processo, usando eletricidade para mover energia térmica de um lado de um dispositivo para outro. O resfriamento de apenas algumas partes do corpo pode fornecer a percepção de conforto sem o custo de um ar-condicionado de grande porte, Yee disse.