|
Устройства для сбора акустической энергии
|
|
|
|
Ученые из Института биомедицинских инноваций Терасаки (TIBI) применили методы искусственного интеллекта для улучшения дизайна и производства нановолокон, используемых в носимых нановолоконных устройствах для сбора акустической энергии (NAEH). Эти акустические устройства улавливают звуковую энергию из окружающей среды и преобразуют ее в электрическую энергию, которая затем может быть использована в полезных устройствах, таких как слуховые аппараты. Исследование опубликовано в журнале Nano Research. Было предпринято много усилий, чтобы использовать природные источники энергии, имеющиеся в изобилии в окружающей нас среде. Относительно недавние достижения, такие как солнечные батареи и ветряные турбины, позволяют нам эффективно получать энергию от солнца и ветра, преобразовывать ее в электрическую энергию и накапливать для различных применений. Аналогичным образом, преобразование акустической энергии можно наблюдать в усилительных устройствах, таких как микрофоны, а также в носимых гибких электронных устройствах для персонализированного медицинского обслуживания.
|
|
|
|
В настоящее время наблюдается большой интерес к использованию пьезоэлектрических наногенераторов — устройств, преобразующих механические колебания, напряжение или деформацию в электрическую энергию, — в качестве сборщиков акустической энергии. Эти наногенераторы могут преобразовывать механическую энергию звуковых волн в электрическую; однако такое преобразование звуковых волн неэффективно, поскольку оно происходит в основном в высокочастотном звуковом диапазоне, а большинство звуковых волн окружающей среды находятся в низкочастотном диапазоне. Кроме того, выбор оптимальных материалов, конструктивного исполнения и параметров изготовления усложняет производство пьезоэлектрических наногенераторов. Как описано в их статье, подход ученых TIBI к решению этих задач был двояким: во-первых, они стратегически подошли к выбору материалов и решили изготовить нановолокна с использованием поливинилфторида (PVDF), которые известны своей способностью эффективно улавливать акустическую энергию. При изготовлении смеси нановолокон в раствор PVDF был добавлен полиуретан (PU) для придания гибкости, а для получения композитных нановолокон PVDF/PU было использовано электропрядение (технология получения ультратонких волокон).
|
|
|
Во-вторых, команда применила методы искусственного интеллекта (ИИ) для определения наилучших производственных параметров, связанных с электропрядением нановолокон из ПВДФ/полиуретана; эти параметры включали приложенное напряжение, время электропрядения и скорость вращения барабана. Использование этих методов позволило команде настроить значения параметров таким образом, чтобы получить максимальную выработку энергии из нановолокон PVDF/PU. Для создания своего наноакустического устройства для сбора энергии ученые TIBI превратили нановолокна из PVDF/PU в нановолокнистый мат и поместили его между слоями алюминиевой сетки, которые выполняли роль электродов. Затем вся сборка была заключена в две гибкие рамки. В ходе испытаний по сравнению с обычными NAEHs, было обнаружено, что полученные NAEHS из PVDF/PU, созданные искусственным интеллектом, обладают лучшими общими характеристиками, обеспечивая более чем в 2,5 раза более высокую плотность мощности и значительно более высокую эффективность преобразования энергии (66% против 42%).
|
|
|
|
Кроме того, PVDF/PU-датчики, созданные с помощью искусственного интеллекта, смогли получить эти результаты при тестировании с широким диапазоном низкочастотных звуков - в пределах уровней, характерных для фонового шума окружающей среды. Это обеспечивает превосходное распознавание звуков и способность различать слова с высоким разрешением. "Модели, использующие оптимизацию с помощью искусственного интеллекта, подобные описанной здесь, сводят к минимуму время, затрачиваемое на пробы и ошибки, и максимально повышают эффективность готового продукта", - сказал Али Хадемхоссейни, доктор философии, директор и исполнительный директор TIBI. - Это может иметь далеко идущие последствия для производства медицинских устройств, обладающих значительной практичностью".
|
|
|
|
Источник
|
