`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Андрей Зубинский

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

+1515
голосов

Есть такая область науки – трибология, изучающая контактное взаимодействие твёрдых тел при их, грубо говоря, трении. И область инженерии – триботехника, - использующая знания, полученные трибологией в мирных и прочих целях. Это были до времени очень далёкие от IT области. Потому что в IT очень не любят всего механического и, тем более, трущегося – это потенциально ненадёжно и если делать очень-очень хорошо, то получается слишком дорого для массового производства. Кстати, серьёзные достижения триботехники упрятаны в любой HDD, но мы будем не об этом. А о том, что долгое время было под ногами, пока кто-то талантливый не обратил на это внимание.

Есть в триботехнике специфический раздел – трибоэлектрика. С азов которой начиналось школьное знакомство всех с электричеством. Только никто потом не уточнял, что это целый научный раздел – ну, потёрли янтарную палочку о клочок шерсти, посмотрели как кусочки бумаги к ней потом притягивается, да и достаточно. Но трибоэлектрику это ничуть не отменяет, и по ссылке, например, можно найти трибоэлектрические показатели разных материалов (которые все - диэлектрики) и из них уже выяснить, какой статический заряд будет перенесен с одного материала на другой при приложении работы трения двух материалов друг о друга.

Например, из упомянутой таблицы мы видим, что при работе трения 1 Джоуль двух листков полиуретановой и тефлоновой плёнок произойдёт перенос заряда |-145-(+60)|=205 наноКулон. Эти цифры часто используются, например, при проектировании всяких бытовых полезных вещей, чтобы они потом, говоря простонародным языком, не «бились током». То есть, для устранения в целом вредного явления. И вот кто-то придумал использовать трибоэлектрический эффект совершенно для других целей.

Если мы говорим об электричестве – мы можем сравнительно легко и дёшево измерять. Это как бы синонимы. Но мы ещё можем использовать электричество как энергию для выполнения какой-то работы. Собственно, всё это далеко не ново, если говорить о трибоэлектричестве – эффект хорошо известен, изучен и законно входит в перечень известных способов «собирания энергии» (energy harvesting), которая, в свою очередь, становится очень «модной» темой в связи с ростом интереса к Internet of Things (IoT) и «умной пыли» (smart dust) в частности.

Для интересующихся даже есть и обозримые небольшие классификаторы возможных источников, от которых можно «собирать энергию», и очень интересные открытые разработки. Резко возросший интерес понятен, и обусловлен вовсе не какими-то аэрокосмическими проблемами, а самым что ни на есть приземлённым практическим интересом. Источники питания требуют замены, они достаточно велики (несоизмеримо больше современных микросхем), им нужен какой-то механический интерфейс (контактные группы, например), и они очень не любят перепадов температуры, влаги, и прочих реалий обыденного использования обыденных вещей.

Зачем и как осуществляется «сбор энергии» трибоэлектрическим способом, например, можно в деталях узнать из замечательной в своём роде и сравнительно «свежей» статьи о «собирающей энергию»… стельке для обуви. Зачем это нужно? Например, для обеспечения питания встроенного в стельку же микрокомпьютера, что означает возможность реализации шагомера, счётчика затраченных калорий, датчика температуры тела, потенциально - определения частоты пульса, и т.д., вплоть до навигационной системы и оповещения об экстренных ситуациях, да для всего, что позволяет воображение и технологии.

Такая «умная стелька» и кому-то действительно нужна, и вообще привлекательна для потребителя. А привлекательность – это основа той самой конкурентоспособности, о которой мы опять столько слышим интересного в последнее время.

Так вот, если судить по описанию трибоэлектрогенератора из этой статьи и не пугаться сакральной приставки «нано-» в названии, никаких сверхтехнологий в подобном устройстве нет. В нём используются два диэлектрика – полидиметилсилоксан (производную которого все знают под торговой маркой «Энтеросгель») и полиэтилентерефталат (также прекрасно известный всем по всей де-факто стандартной и укороченно «полиэтиленовой» упаковке). Экспериментальный модуль "стелькогенератора" выглядит чем-то совершенно из "не-хайтек" мира (особенно с поролоновыми демпферами):

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

Причём авторы статьи расписывают технологический процесс изготовления генератора, и в нём тоже не наблюдается чего-то аэрокосмического, и даже есть смешные фрагменты (например, изучение влияния демпфирующих прокладок, изготовленных из обрезков футболки, носков и прочего подручного, на эффективность генератора). Это к тому, что ни о каких многомиллионных инвестициях по крайней мере в разработку образца подобного устройства и речи не идёт. А вот полученный результат от испытаний такого генератора крайне забавен – не буду особо вдаваться в тонкости (характерные для электростатических устройств маленькие значения тока и большие - напряжения), но «умной стельки» оказалось достаточно для обеспечения свечения ленты из тридцати (!) обычных белых светодиодов, соединённых последовательно.

Вот, собственно, "стелькогенератор" в сборе (ничего впечатляющего, конечно):

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

Несмотря на неказистость, при ходьбе это устройство выдаёт такую картину всплесков напряжений:

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

 

Электронной частью авторы разработки практически не занимались, и это понятно, они специализируются в теории материалов, мы же можем прикинуть «на пальцах» - заявленные показатели «умной стельки» обеспечивают генерацию 0,8 микроампер на каждый квадратный сантиметр генератора при 300 вольтах напряжения. Если обратиться к всезнающему Google, можно выяснить, что средняя площадь стопы человека – 175 см2 (когда бы и по какому бы ещё поводу я это узнал, ума не приложу). Что означает – «стелькогенератор» потенциально может «выдавать» максимальные 140 микроампер при 300 вольтах, а это уже где-то почти 42 милливатта. Даже при учёте возможных потерь в накопителе-преобразователе этой энергии в пригодный для питания электроники уровень напряжений (скажем, близкий к практически реализуемому КПД 70%), получается очень пристойная цифра, например, для питания периодически активируемого радиоканала вроде 802.15.4. И ещё кучи всякого крайне полезного. Что уж с этим делать дальше – вопрос к специалистам в области маркетинга и творческим личностям, для потребителя «умной обуви» (или просто хорошей обуви с «умными стельками») это означает дополнительные потребительские качества при не таком, чтобы взрывном росте стоимости (ничего аэрокосмического здесь нет).
Я специально уделил предыдущей статье достаточно внимания, чтобы стало понятно, какие неожиданные вещи начинают проникать в IT с расширением областей применения. IT ведь разные бывают.

Для разрядки после всех этих химических названий и цифр – не обратив внимания на авторов статьи, дочитал её до конца, открыл страницу с перечнем поделившихся со мной и вами знаниями исследователей, и сразу вспомнил нетленные кадры фильма «Даунхаус» и замечательную историю:

«Ох, Китай — это прямо дичь какая то! В мою молодость цыгане на рынке продавали китайские ковры, их домой приносишь, вешаешь на стену. Днём вроде ничего, а ночью ковер зелёным начинал искриться и на нём портрет Мао Цзэдуна в гробу появлялся. Такие вот традиции!»

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

Посмеялся, но могу сказать очевидное – ждём наплыва «умной обуви» и одежды. Потому что китайских учёных в этой области хоть отбавляй, а в Поднебесной с каждым днём всё лучше учатся переплавлять любопытство и экспериментальные результаты в товар.

А теперь посмотрим на близкое, но совсем из другой «оперы», сделанное в лабораториях Disney (вообще, в этом году публичная активность Disney оказалась неожиданно высокой, то ли «хороший год для чтенья, хороший год чтобы сбить со следа» ©, то ли плохой для кинематографа, то ли и то, и другое одновременно, если судить по качеству фильмов).

Там тоже занимаются трибоэлектрическими генераторами, но решили приспособить их для целей более, как бы сказать, духовных. Предельная доступность материалов, привычный, если можно так сказать, их вид и характер (плёнки, листовые материалы, просто бумага), простота их обработки – отличные составляющие, например, для использования новых «материальных» интерфейсов в… привычных бумажных книгах. Или развивающих игрушках. Или даже в элементах дизайна интерьеров.

Здесь и вовсе никаких сложных химических веществ с промежуточной обработкой не используется, всё это можно купить, не отходя от компьютера – тефлоновая плёнка, металлизированная полиэфирная плёнка, обычная бумага и изолятор между двумя электродами, самоклеящаяся лента толщиной 5 мм. Взаимодействие при трении этих материалов порождает высоковольтные импульсы разных полярностей даже просто при касаниях к такому «бутерброду», причём цифры уже куда большие, чем в «стелькогенераторах», здесь размах напряжений достигает почти двух киловольт (вспомните, почему вы так не любите синтетическую одежду, которая делается в основном из полиэфирных волокон). А сама бутербродная конструкция "трибоэлектрической кнопки" скорее напоминает школьные уроки труда, чем, опять же, хайтек, которым она является:

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

В итоге получается целый перечень очень интересных конструкций, которые потенциально объединяют преобразователь механических процессов и в питание для электроники, и в управляющую информацию для неё же, например, реально вращающийся слайдер (управляющий элемент, некогда сделанный знаменитым благодаря Apple iPod), который потребляет энергию только когда пользователь его «вертит»:

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

Это всего лишь два ярких примера из области то ли трибоэлектроники, то ли вообще не совсем понятно как назвать эту область, на стыке кучи дисциплин. Очень забавная подкупающей технологичностью область, посмотрим, что из этого получится в итоге, тем более это интересно, что для систем «сбора энергии» уже серийно выпускаются специализированные микросхемы преобразователей и что доступные микровычислители становятся вовсе уж «микро-».

Технологичность тут – ключевой термин, поэтому всё было выбрано не просто так, не по «наитию». Дело в том, что прочие механизмы генерации микроэнергии как бы «походя», пригодные для её «сбора», от реальной технологичности очень далеки.

Электромеханические преобразователи – сложные, достаточно большие, требуют специфических конструктивов (что, впрочем, не мешает их использовать, есть целый всемирный альянс Enocean, объединяющий производителей и разработчиков «собирающих энергию» устройств для «умных зданий» и домов). Пьезоэлектрические -  весьма хрупки, что увеличивает требования к ним. Фотоэлектрические требуют света и приличных площадей для установки фотоэлементов. Термальные и пироэлектрические – этим нужны приличные перепады температуры. В общем, всё это довольно специфическое. И, похоже, пока только трибоэлектрические и трибоэлектронные конструкции претендуют на роль массовых в пользовательских применениях. Например, в «умной одежде» и обуви. А без массового рынка никакая милая идея, что очевидно, не станет технологией.

Забавно, что поиск по весьма специфическому словосочетанию «triboelectric energy harvesting» даёт около 10 тысяч результатов, и слишком многие из них ссылаются на работы 2012-2013 годов, то есть, это не hype, но и далеко не забвение, скорее, возникновение и нарастание устойчивого интереса.

В качестве последнего куда более практичного примера можно привести разработанные велосипедные шины, являющиеся по совместительству и трибоэлектрическими генераторами энергии («собирающими» часть энергии, тратящейся на трение шин) для всевозможных маячков, призванных повысить безопасность велосипедиста на дороге. В них используется принцип «вплетения» тех же диэлектрических материалов, но в виде нитей, в материал самой шины:

"Стелькогенераторы", бумажная книга 2.0, трибоэлектронные интерфейсы вместе с источником питания

Учитывая тот факт, что механизмы преобразования собранной энергии от подобных (и прочих) очень специфических генераторов весьма сложны и сами по себе являются образчиками специализированных вычислительных систем реального времени (например, модули компании Advanced Linear Devices, которые умеют только "собирать" микродозы энергии и при этом программируются независимо от прочих устройств), мы, похоже, наблюдаем формирование новой отрасли IT, образованной на стыке сверхмикропотребляющих вычислителей и традиционных доступных синтетических материалов.

Откланиваюсь.

+1515
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Растопчем т.с. вселенскую энтропию... ці азіати. Но получение энергии буквально отовсюду очень интересно.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT