Пьезокерамические компоненты в носимой электронике: технологии и применение

Носимые электронные устройства кардинально меняют образ жизни людей, а связанные с ними новые материалы и технологии стали одними из важнейших направлений исследований в XXI веке. Умный мир будущего, ориентированный на человека, реализуется во многом благодаря носимым гаджетам. В активном режиме пользователь может отдавать команды интеллектуальной системе, а в пассивном — устройства непрерывно собирают физиологические данные для мониторинга здоровья. Ключевые требования к таким устройствам — высокая эффективность, биосовместимость, гибкость, долговечность, легкость и низкое энергопотребление.

1. Что такое носимые технологии (Wearable Technology)?

Носимые технологии (Wearable technology) — это электронные устройства или компьютеры, встроенные в одежду, аксессуары или непосредственно интегрированные с телом человека. Эти устройства собирают, обрабатывают и передают информацию как через специальные приложения, так и автономно. Основные категории включают:

• Фитнес-браслеты и трекеры активности
• Умные часы для управления сообщениями, звонками и приложениями
• Умная одежда для мониторинга жизненно важных показателей и качества сна
• Умные очки с возможностью съемки и выходом в интернет (дополненная реальность)
• Медицинские устройства для контроля уровня глюкозы, приема лекарств и других физиологических параметров

2. Развитие пьезокомпонентов в носимой электронике

Пьезоэлектричество представляет собой прямой метод преобразования механической энергии в электрическую. В отличие от электростатических или трибоэлектрических генераторов, пьезонаногенераторам не требуются внешние движущиеся части: для генерации тока достаточно деформации самого пьезоматериала. Это фундаментальное преимущество упрощает миниатюризацию и интеграцию в сложные конструкции носимых устройств.

Инженеры и материаловеды активно исследуют пьезонаногенераторы: за последнее десятилетие опубликовано почти 5000 научных работ по данной теме. Однако ключевой вызов заключается в компромиссе между гибкостью и пьезоэлектрическими характеристиками:

• Керамика и монокристаллы (PZT, PMN-PT): Обладают высокими пьезоэлектрическими коэффициентами (d₃₃ = 200-500 пК/Н), но они жесткие и хрупкие.
• Полимеры (PVDF, ПВДФ): Гибкие и эластичные, но их показатели (d₃₃ = 20-40 пК/Н) на порядок ниже.

Перспективное решение — создание композитных материалов, таких как полимеры с эллиптическими воздушными полостями. После поляризации они демонстрируют пьезоэлектрические коэффициенты до 200-400 пК/Н, сопоставимые с керамикой, при этом остаются легкими, гибкими и эластичными. Это делает их идеальными кандидатами для носимых устройств нового поколения.

3. Применение пьезокомпонентов в носимых устройствах

Пьезоэлектрические компоненты открывают огромные возможности для различных отраслей, улучшая комфорт, здоровье и безопасность пользователей.

• Энергогенерация: Устройства, заряжающиеся при ходьбе или беге; тротуары с плиткой, генерирующей энергию от шагов прохожих.
• Медицина и здравоохранение:
  • Пьезоэлектрические кардиостимуляторы, питающиеся от ритма сердца (исключают необходимость операций по замене батареи).
  • Носимые сенсоры для отслеживания дистанции, дыхания, частоты сердечных сокращений и сна.
  • Беспроводные тонометры, измеряющие давление через приложения.
  • Мониторы сердцебиения плода, преобразующие вибрации в аудиосигналы.
• Безопасность и мониторинг:
  • Автономные датчики для мониторинга конструкций (мостов, трубопроводов) в удаленных зонах.
  • Сиденья автомобилей с пьезосенсорами для отслеживания heart rate и дыхания водителя — при обнаружении признаков усталости система активирует вентиляцию и массаж.
• «Умные» ткани и текстиль: Набирают популярность ткани с вплетенными пьезоматериалами. Датчики давления, интегрированные в стельки, одежду и другие устройства, измеряют шаги, расход энергии и другую биометрическую информацию.

Количество вырабатываемой энергии напрямую зависит от типа пьезоэлектрического материала и уровня физической активности пользователя.

4. Заключение

Интеграция передовых пьезокомпонентов в носимые технологии способна революционизировать различные аспекты жизни — от персонального здравоохранения до распределенной энергогенерации. Постоянные исследования и инновации в области материалов и дизайна продолжают двигать эту область вперед, стирая границы между технологиями и человеческим телом.

Компания HE-SHUAI разрабатывает и производит современные пьезокерамические и композитные компоненты для носимой электроники. Наши решения отличаются высокой эффективностью, надежностью и полным соответствием требованиям гибкости, биосовместимости и миниатюризации. Для подбора оптимального решения для вашего проекта обратитесь к нашим специалистам.