Повседневные вибрации — от дорожного движения, машин или шагов — охватывают широкий диапазон частот. Благодаря адаптивному дизайну эти рассеянные источники движения могут быть эффективно собраны и преобразованы в электричество для электронных устройств. Фото: Национальный университет Тайваня
Исследователи из Национального университета Тайваня разработали новое устройство, которое более эффективно улавливает энергию от вибраций. Его саморегулирующийся механизм обеспечивает резонанс с частотами окружающей среды, что приводит к более высокой выходной мощности в более широком рабочем диапазоне.

Каждый день мир гудит от скрытой энергии. Пол дрожит, когда проезжает метро, мосты дрожат, когда по ним катятся автомобили, и даже слабый ритм шагов вызывает крошечные вибрации, пронизывающие землю. Обычно все это движение пропадает впустую, но что, если бы мы могли превратить его в электричество для питания устройств, которыми мы пользуемся каждый день? Об этом мечтают исследователи, изучающие «пьезоэлектрические накопители энергии», крошечные машины, которые получают энергию от вибраций.

Самая распространенная конструкция напоминает трамплин для прыжков в воду: тонкая балка, которая изгибается вперед и назад, снабжена специальным материалом, который вырабатывает электричество при нагрузке. Просто, да. Эффективно, не совсем. Эти конструкции хорошо работают только на очень специфических частотах вибрации — например, радиоприемник, который может настраиваться только на одну станцию — и поскольку большая часть напряжения сосредоточена на одном конце, большая часть материала никогда не достигает своего полного потенциала.

В Национальном университете Тайваня исследовательская группа во главе с профессором Вэй-Цзюнь Су задалась простым вопросом: что, если бы комбайн мог адаптироваться сам? Их ответом стала конструкция с режимом растяжения, в которой изгиб меняется на растяжение. Тонкая пленка PVDF натягивается равномерно, как барабанная головка, поэтому каждая деталь вносит свой вклад в выработку электроэнергии.

Настоящая магия, однако, исходит от крошечной скользящей массы. Эта масса движется сама по себе, подталкиваемая перетягиванием каната между силами инерции и гравитацией. Когда окружающая среда трясется сильнее, масса соскальзывает наружу, снижая предпочитаемую частоту комбайна. Когда тряска ослабевает, гравитация тянет ее назад, повышая частоту. Короче говоря, устройство настраивается само — как скрипка, которая настраивает свои собственные струны во время выступления.

В лабораторных тестах этот трюк с самонастройкой имел большое значение. По сравнению с обычными конструкциями, новый комбайн производил почти в два раза больше мощности и работал в почти вдвое большем частотном диапазоне. В одном испытании выходное напряжение достигло почти 29 вольт, что является замечательным показателем для устройства, которое помещается на ладони.

Не менее важно и то, что он может плавно переходить из низкоэнергетического состояния в высокоэнергетическое без посторонней помощи, что является доказательством того, что самонастройка работает на практике. И это важно, потому что реальный мир сложен. Вибрации не являются четкими или предсказуемыми; Они меняются в зависимости от трафика, погоды или даже времени суток. Жесткий комбайн быстро сбивается с ритма, как танцор, который не может держать темп. Но самонастраивающийся комбайн продолжает адаптироваться, оставаясь в ритме и надежно вырабатывая мощность.

Возможности захватывающие. Представьте себе беспроводные датчики в зданиях, которые питаются десятилетиями, портативную электронику, которая никогда не нуждается в зарядке, или медицинские имплантаты, которые бесшумно работают при собственных движениях тела. Каждый шаг на пути к технологии автономного питания приближает нас к миру, менее зависимому от батареек.

Как говорит профессор Вэй-Цзюнь Су: «Позволяя комбайну адаптироваться к окружающей среде, открывается дверь для более эффективного сбора энергии для устройств с автономным питанием».

Исследование опубликовано в журнале Energy Conversion and Management.

Дополнительная информация: Лян-Вэй Ценг и др., Теоретическое и экспериментальное исследование самонастраивающегося пьезоэлектрического комбайна с растянутым режимом, Преобразование и управление энергией (2025). DOI: 10.1016/j.enconman.2025.120172

Национальный университет Тайваня под редакцией Габи Кларк, рецензия Роберта Игана