Новое устройство, размером с US — четвертак, макроскопически ничем не примечательно: мостик, да каждый конец чипа касается.
В его состав включен лишь один слой пьезоэлектрического материала (ПЭМ). Создали эту микроэлектромеханическую систему (Microelectromechanical system – MEMS) размером с монету в 25 американских центов, способную производить энергию из низкочастотных колебаний, исследователи из Массачусетского технологического университета (Massachusetts Institute of Technology — MIT).
Профессор механической инженерии Санг Кук Ким (Sang-Gook Kim), ведущий разработчик данного проекта, изготовил микрочип с высокими частотой работы и плотностью транзисторов, который способен получать энергию из вибраций наподобие шагов толпы или гула автомобилей и тяжелой техники.
Существующая схожая технология, на которой основана работа беспроводных сенсорных сетей, обладает огромным потенциалом: ее использование возможно начиная с мониторинга загрязнения окружающей среды и завершая активностью нефтепроводов. Но она имеет ограничение, связанное с потреблением ими электроэнергии: аккумуляторы беспроводных сенсорных устройств нуждаются в периодической замене, и к тому же, это не самая простая процедура.
В целом проблема накопления энергии из вибраций окружающей среды не нова, и уже описывались похожие подходы, правда, безуспешные. Многие разработчики использовали маленькие микрочипы со слоями пьезоэлектриков, которые аккумулируют электрический заряд из механических колебаний, и прикрепляли к маленькому консольному устройству.
Когда чип помещается туда, где есть вибрации, консоль перемещается вертикально вверх и вниз, что вызывает колебания пьезоэлектрических слоев и появление тем самым электрического заряда. Но возникает проблема резонанса, что на практике подразумевает наличие такой частоты, в которой движения оптимальны, а за пределами ее – уменьшаются, что снижает и генерируемую энергию.
Ученые пытались разобраться с ней просто засчет бóльшего количества консолей и пьезоэлектриков, а это в итоге приводит к значительному увеличению стоимости и объемов используемых материалов.
В MIT разработали новый дизайн с учетом указанных проблем. Прежде всего, новшеством стала упомянутая форма моста, касающегося чипа на каждом конце. Один слой ПЭМ с небольшой массой добавляется к мосту в его центре. При опытах выяснилось, что такое устройство отвечает генерацией заряда на множество частот. Ну а мощность его составила 45 мкВт с всего одним слоем пьезоэлектрика.
Целью же разработчиков является 100 мкВт – именно таковы запросы производителей электроники.
По предварительным расчетам ученых, если на практике удастся достичь желаемой мощности, то, к примеру, для промышленности и естествознания можно будет использовать группы умных сенсоров, которые, будучи объединенными в автономные сети, станут способны функционировать вечно (!), используя данную систему.
