Технології
Технології

Подушка простежила за якістю сну і зарядилася від крутіння голови

Китайські інженери представили розумну подушку, яка може постежити за якістю сну, оцінюючи позу, в якій ви спите, та навіть попередить, якщо уві сні вам загрожує падіння з ліжка. При цьому для всього цього вона сама може зарядитися, отримуючи енергію від крутіння голови завдяки трибоелектричному ефекту. Подушку вчені продемонстрували у журналі ACS Applied Materials & Interfaces.

Так подушка реагує на тиск голови. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Так подушка реагує на тиск голови. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Що подушка знає про сон?

Численні наукові дослідження доводять: нестача або надлишок сну мають вплив на здоров'я людини. Нерегулярний сон пов'язують із розвитком депресії, деменцією в старості, підвищенням ризик серцево-судинних захворювань. Тому так важливо приділяти увагу якості свого сну. У побутових умовах, коли традиційні методи моніторингу сну (полісомнографія, наприклад) недоступні, є можливість використовувати смартфони або розумні годинники, що можуть стежити за пов'язаними зі сном показниками: частотою серцевого ритму, артеріальним тиском, пульсом, диханням. Втім, це все ще менш зручно, ніж просто спати на подушці.

Так подумали і китайські вчені та взялися за розробку пристрою, який би міг виконувати всі ці завдання, але при цьому не впливати на комфорт, бути автономним та достатньо чутливим. Так і з'явилася розумна подушка, яка може стежити за якістю сну не гірше за існуючі датчики, а також і за рухом голови, що допоможе враховувати пози для сну та навіть звернути увагу на пов'язані з цим захворювання.

Що робить подушку розумною?

З моменту появи трибоелектричних наногенераторів TENG у 2012 році, вони стали особливо популярною серед інженерів альтернативою батарейкам. Такі пристрої не вимагають регулярної заміни, можуть виготовлятися з екологічних матеріалів, а енергію отримують з простого механічного тертя — завдяки трибоелектричному ефекту воно перетворюється на електричний заряд, якого вистачить для живлення невеликих девайсів на кшталт телефона.

І з огляду на їхню автономність (адже джерелом тертя може бути майже будь-що: від кроків до тертя самих матеріалів) і дешевизну, їх вже також пристосовували для моніторингу сну. Наприклад, вчені пропонували пов'язки на очі, які стежили за рухом очей (може вказати на фазу сну), та ремені на тіло, які могли відстежувати дихання. Однак, безумовно, вони не сприяли природному засинанню і приносили дискомфорт. Тому цього разу TENG вирішили використати у тканині, яка може бути, наприклад, наволочкою. Масив TENG створили з придатного для комфортного сну матеріалу - пористого PDMS, який м'який, гнучкий і повітропроникний.

Піну розмістили між двома шарами гнучкого каптону та на алюмінієвий електрод. Як тільки контакт і тертя між двома матеріалами відбулися під дією зовнішньої сили, електрони переносяться з каптонової плівки в пористий PDMS. В результаті на обох матеріалах утворюється однакова кількість позитивних та негативних зарядів.

Трибоелектричний ефект у подушці. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Трибоелектричний ефект у подушці. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Скільки енергії можна зібрати, не встаючи з ліжка?

Масив датчиків може чуйно реагувати на різні тиски: що вищий тиск, то вище з'являється відповідна вихідна напруга. Крім того, цей масив датчиків також можна використовувати для відстеження траєкторії руху об'єктів, що рухаються. Наприклад, вашу голову, що потім можна графічно відобразити на екрані. Тобто, коли голова знаходиться на розумній подушці, блоки TENG будуть відповідно до її положення реагувати та відображати ці сигнали на моніторі.

Так подушка реагує на різний тиск. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Так подушка реагує на різний тиск. Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

Отже, збираючи сигнал вихідної напруги, можна чітко відобразити не тільки розподіл тиску на подушку, але також можна одночасно записати та виявити рух голови, а потім відобразити зміну положення тіла. І так само подушка може попередити, якщо ви почнете падати з ліжка: для цього потрібно торкнутися крайніх п'яти датчиків. Мінімальний тиск, необхідний для того, щоб його відчула подушка, становить менше 15 кілопаскаль. Це якраз відповідає тиску, який може надати середня людська голова вагою п'ять кілограмів. За прикладеної сили в 20 ньютонів подушка навіть змогла запалити 14 світлодіодів, а сама вона пережила понад 14 тисяч циклів механічного впливу.

Оскільки поки такі електрогенератори мають надто низьку потужність, щоб живити повноцінні електронні пристрої, у виробництві їх поки не використовують. Однак інженери не припиняють шукати їм застосування. Так, наприклад, трибоелектричний ефект допоміг запалити лампочку простою ходьбою по дерев'яній підлозі. А рюкзак з трибоелектрогенераторами підживив електронний годинник.

Розумні речі на nauka.ua

🔊Розумна колонка безконтактно відстежила серцевий ритм

👕Розумна тканина охолодила тіло на п'ять градусів у спеку

🥣 Розумна скатертина розпізнала розміщені на ній предмети

🏺 Розумна кераміка самовідновилася від тріщин


Фото в анонсі: Haiying Kou et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2022