新研究: 低周波振動を電圧に変えるゲルエレクトレットを用いた発電装置の開発

TokyoNIMS、北海道大学、明治薬科大学の研究チームは、大きな静電荷を保持できる新しいゲルを開発しました。このゲルを使って柔軟な電極を組み合わせたセンサーを作成しました。このセンサーは、人の動きなどによって生じる低周波振動を検知し、それを電圧信号に変換することができます。

この新しいセンサーは、ウェアラブル健康デバイスに利用できます。柔らかく軽量な素材で電力を生み出すことへの関心が高まっています。これらの素材は、ヘルスケアやロボットの分野におけるソフトエレクトロニクスにとって重要です。エレクトレット材料は、安定した電荷を保持し、外部の電源がなくてもデバイスにエネルギーを供給することが可能です。

NIMSのチームは、安定しており室温で作動する液体を開発しました。この液体は、色素分子と柔軟な枝状構造を含み、電気をよく保持します。また、塗ったり浸したりすることで他の材料に容易に適用でき、形状を整えることも簡単です。

これらの液体を電極と組み合わせて柔軟なデバイスを作ることは難しいです。それらを固定したり密封したりするのが困難で、漏れを引き起こす可能性があります。さらに、発電能力を向上させるためには電荷を保持する能力を高めることが重要です。

チームは最近、アルキルπ液体に少量のゲル化剤を加えることで、アルキルπゲルを作成しました。このゲルは液体よりもはるかに弾力があり、修復や密封が容易です。さらに、このゲルを帯電させてゲルエレクトレットにしたところ、液体よりも24%多くの電荷を保持することができました。これには、ゲルが電荷をより効果的に保持するための特性が寄与しています。

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生体材料スタートアップが直面する予期せぬ挑戦

その研究は数々の重要な発見を明らかにしています。

• アルキル-πゲルは、アルキル-π液体に比べてより柔軟性があり、取り扱いやすいです。
• ゲル・エレクトレットは、アルキル-π液体よりも24％多くの電荷を保持します。
• 新しいセンサーは、17Hzという非常に小さな振動を検出することができます。
• このセンサーは、液体ベースのセンサーに比べて83％多くの電圧を発生させます。

チームは、ジェルと電極を組み合わせて振動を感知するセンサーを開発しました。このセンサーは、17 Hzという低い周波数の振動を検知し、これを600 mVの電気信号に変換します。この電気信号は、特殊な液体を使用する別のタイプのセンサーと比較して、83%も出力が高くなっています。

チームは、この技術を向上させるために、小さな振動や様々な種類のストレスを検出できるウェアラブルセンサーの開発を計画しています。また、使用される素材の充電容量と耐久性を高めるための研究も行い、使用しているゲルの強化にも取り組む予定です。

このジェルは再利用可能で、振動センサーの素材として再び使用することができます。これにより、環境に優しく、持続可能な経済を促進するスムーズな選択となります。この研究の進展は、ウェアラブル技術やその他のソフト電子機器に新たな用途をもたらす可能性があります。