Générateur magnétoélastique auto-alimenté, extensible et étanche conçu par l’UCLA pour la bioélectronique. Crédit : Jun Chen/UCLA
Une équipe de bio-ingénieurs de la UCLA Samueli School of Engineering a inventé un nouveau dispositif bioélectronique auto-alimenté souple et flexible. La technologie convertit les mouvements du corps humain – de la flexion du coude à des mouvements subtils tels qu’une impulsion sur le poignet – en électricité qui pourrait être utilisée pour alimenter des capteurs de diagnostic portables et implantables.
Les chercheurs ont découvert que l’effet magnétoélastique, qui est le changement de combien un matériau est magnétisé lorsque de minuscules aimants sont constamment poussés ensemble et séparés par une pression mécanique, peut exister dans un système souple et flexible – pas seulement un système rigide. Pour prouver leur concept, l’équipe a utilisé des aimants microscopiques dispersés dans une matrice de silicone mince comme du papier pour générer un champ magnétique dont la force change à mesure que la matrice ondule. Au fur et à mesure que la force du champ magnétique change, de l’électricité est générée.
Matériaux naturels a publié aujourd’hui (30 septembre 2021) une étude de recherche détaillant la découverte, le modèle théorique derrière la percée et la démonstration. La recherche est également soulignée par La nature.
“Notre découverte ouvre une nouvelle voie pour les technologies énergétiques, de détection et thérapeutiques pratiques qui sont centrées sur le corps humain et peuvent être connectées à l’Internet des objets”, a déclaré le chef de l’étude Jun Chen, professeur adjoint de bio-ingénierie à l’UCLA Samueli. “Ce qui rend cette technologie unique, c’est qu’elle permet aux gens de s’étirer et de bouger avec confort lorsque l’appareil est pressé contre la peau humaine, et parce qu’elle repose sur le magnétisme plutôt que sur l’électricité, l’humidité et notre propre sueur ne compromettent pas son efficacité.”
Chen et son équipe ont construit un petit générateur magnétoélastique flexible (environ la taille d’un quartier américain) constitué d’une matrice de polymère de silicone catalysée au platine et de nano-aimants néodyme-fer-bore. Ils l’ont ensuite fixé au coude d’un sujet avec une bande de silicone souple et extensible. L’effet magnétoélastique qu’ils ont observé était quatre fois supérieur à celui d’installations de taille similaire avec des alliages métalliques rigides. En conséquence, l’appareil a généré des courants électriques de 4,27 milliampères par centimètre carré, ce qui est 10 000 fois mieux que la prochaine meilleure technologie comparable.
En fait, le générateur magnétoélastique flexible est si sensible qu’il pourrait convertir les ondes pulsées humaines en signaux électriques et agir comme un moniteur de fréquence cardiaque autonome et étanche. L’électricité générée peut également être utilisée pour alimenter de manière durable d’autres appareils portables, tels qu’un capteur de sueur ou un thermomètre.
Des efforts continus ont été déployés pour fabriquer des générateurs portables qui récupèrent l’énergie des mouvements du corps humain pour alimenter des capteurs et d’autres appareils, mais le manque de praticité a entravé de tels progrès. Par exemple, les alliages métalliques rigides à effet magnétoélastique ne se plient pas suffisamment pour se comprimer contre la peau et génèrent des niveaux de puissance significatifs pour des applications viables.
D’autres appareils qui dépendent de l’électricité statique ont tendance à ne pas générer suffisamment d’énergie. Leurs performances peuvent également souffrir dans des conditions humides ou lorsqu’il y a de la sueur sur la peau. Certains ont essayé d’encapsuler de tels dispositifs afin d’empêcher l’eau d’entrer, mais cela réduit leur efficacité. Cependant, les nouveaux générateurs magnétoélastiques portables de l’équipe de l’UCLA ont bien été testés même après avoir été trempés dans de la transpiration artificielle pendant une semaine.
Référence : « Giant magnetoelastic effect in soft systems for bioelectronics » 30 septembre 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01093-1
Le chercheur postdoctoral UCLA Samueli Yihao Zhou et l’étudiant diplômé Xun Zhao sont les premiers auteurs de l’étude. Ils sont tous deux conseillés par Chen, qui dirige le groupe de bioélectronique portable de l’UCLA et fait partie de la UCLA Society of Hellman Fellows. Les autres auteurs sont les étudiants diplômés de l’UCLA Jing Xu et Guorui Chen, les chercheurs postdoctoraux Yunsheng Fang et Yang Song, ainsi que Song Li, professeur et président du département de bio-ingénierie.
Un brevet sur la technologie a été déposé par le UCLA Technology Development Group.
