تیمی از دانشمندان با ساخت یک دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک فوق سبک (PEH) که از ارتعاشات قفسه سینه زنبورها برای تولید برق بدون بریدن بالهای آنها استفاده میکند، به موفقیت کوچکی دست یافتهاند.
محققان موسسه فناوری پکن و همکارانشان از دانشگاه سان یات-سن، هر دو در چین، این دستگاه را طوری طراحی کردهاند که با ارتعاشات طبیعی قفسه سینه زنبورها مطابقت داشته باشد و به آن اجازه دهد بدون ایجاد اختلال در پرواز آنها، انرژی را به طور موثر برداشت کند.
این دستگاه برداشت انرژی که از فیلمهای PVDF انعطافپذیر ساخته شده و تنها ۴۶ میلیگرم وزن دارد، از یک دانه برنج سبکتر است و خروجیهای انرژی چشمگیری تولید میکند و در عین حال به زنبورها اجازه میدهد تا در هوا معلق بمانند، بچرخند و پرواز کنند، گویی هیچ چیز تغییر نکرده است. محققان با تنظیم دقیق دستگاه برای مطابقت با فرکانس ارتعاش قفسه سینه زنبورها و بهینهسازی مرکز ثقل آن، به خروجی انرژی قابل توجه ۵.۶۶ ولت و چگالی توان ۱.۲۷ میلیوات بر سانتیمتر مکعب دست یافتند.
یک برداشتکننده انرژی کوچک از زنبورها
در حالی که پیشرفتهای اخیر در مهندسی الهامگرفته از زیست، علم را به برداشت کارآمد انرژی برای حشرات سایبورگ نزدیکتر کرده است، ایجاد دستگاههای سبک وزن که در پرواز اختلال ایجاد نمیکنند، هنوز یک چالش است.
برای مقابله با این مشکل و در عین حال معرفی الگوهای طراحی جدید برای سیستمهای برداشت انرژی بیولوژیکی در مقیاس میکرو، تیم تحقیقاتی فرکانس رزونانس برداشتکننده را با ارتعاشات قفسه سینه زنبورها همسو کرده و مرکز ثقل آن را بهینه کردند. با این کار، آنها به تبدیل انرژی کارآمد بدون ایجاد اختلال در پایداری حشره دست یافتند.
دکتر جیلیانگ ژائو، استاد موسسه فناوری پکن و نویسنده مسئول این مطالعه، فاش کرد: “با ادغام تطبیق فاصله فرکانسی با بهینهسازی مرکز ثقل، ما به طور سیستماتیک فرکانس رزونانس برداشتکننده را با ارتعاش قفسه سینه زنبورها همسو کردیم و تبدیل انرژی کارآمد را بدون به خطر انداختن پایداری پرواز امکانپذیر ساختیم.”
دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک (PEH) حاصل، لایههای PVDF انعطافپذیر و کمجرم، طراحی دوبلوری برای افزایش خروجی ولتاژ و تنظیم دقیق با فرکانس ارتعاش طبیعی زنبورها (۲۱۰ تا ۲۲۰ هرتز) را در خود جای داده است. به گفته جیانینگ وو، یکی از نویسندگان مقاله از دانشگاه سان یات-سن، این طرح نیاز به باتریهای حجیم را از بین میبرد و طول عمر عملکردی حشرات سایبورگ را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
در انتظار فردا
محققان دستگاه برداشت انرژی پیزوالکتریک (PEH) را با برش لیزری زیرلایههای مسی و اتصال آنها با لایههای PVDF انعطافپذیر با استفاده از چسب رسانا طراحی کردند. سپس از قالبهای چاپ سهبعدی برای شکلدهی دستگاه به شکل فوق سبک نهایی آن که تنها ۴۶ میلیگرم وزن دارد، استفاده کردند.
آنها با استفاده از کامسول برای شبیهسازیهای چندفیزیکی، طرح را اعتبارسنجی کردند و خروجیهای جابجایی و ولتاژ را که با نتایج تجربی مطابقت داشتند، به طور دقیق پیشبینی کردند.
ونژونگ وانگ، استاد موسسه فناوری پکن و نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح داد: “دوربینهای CMOS پرسرعت، بینشهای مهمی در مورد دینامیک بال زدن ارائه دادند و به ما این امکان را دادند که فرکانس رزونانس برداشتکننده را تحت شرایط بار متغیر بهینه کنیم.”
به گفته ژائو، زنبورها حتی با اتصال PEH، رفتار پرواز عادی خود را حفظ کردند، به سرعت در عرض دو ثانیه از چرخشها بهبود یافتند و به راحتی در هوا معلق ماندند، بنابراین حداقل اختلال بیومکانیکی را نشان دادند. با این حال، اگرچه برداشتکننده عملکرد قوی در چگالی انرژی و زیستسازگاری نشان میدهد، اما چالشهای مربوط به ذخیرهسازی انرژی و مقیاسپذیری هنوز باید مورد توجه قرار گیرند.
محققان نتیجه گرفتند: “کارهای آینده بر ادغام مدارهای مدیریت انرژی و گسترش این روش به سایر حشرات پرنده، مانند سنجاقکها و پروانهها، برای ایجاد راهحلهای استاندارد انرژی برای سیستمهای بیوهیبریدی متمرکز خواهد بود.”
این تیم معتقد است که این دستگاه نوآورانه، دریچهای به سوی سایبورگهای حشرات خودکفا برای استفاده در نظارت بر محیط زیست و ماموریتهای نجات باز میکند و با تکیه بر بهینهسازی مبتنی بر فیزیک به جای آزمون و خطای پرمنابع، توسعه را ساده میکند.