風と雨滴から電力を得る人工葉

この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

水や風力からエネルギーを採取することになると、最初に思い浮かぶのは大規模な水力ダムや風力発電所でしょう。 しかし、もっと小さく考えてください。

イタリアの研究者らは、植物に埋め込み、雨滴や風から電力を生み出すエネルギーハーベスティングシステムを開発した。 雨や風の強い状況でも、デバイスは LED ライトを点灯し、自身に電力を供給するのに十分な電力を生成できます。 この新しいデバイスは、IEEE Robotics and Automation Letters に 2 月 28 日に掲載された研究で説明されています。

Fabian Meder は、イタリアのジェノバにあるイタリア工科大学 (IIT) でバイオインスピレーションを受けたソフト ロボット工学を研究している研究者です。 同氏は、葉に依存してエネルギーを生成するシステムは、植物の健康状態の観察や気候条件の監視に自己給電センサーが必要な農業用途や遠隔環境モニタリングに特に役立つ可能性があると指摘しています。

メーダー氏と彼の同僚が作成した装置には、底部に沿ってシリコーンエラストマー層を備えた人工葉が含まれており、本物の植物の葉の間に追加されています。 「[葉]が風に乗って動くと、2 つの表面が互いに接触して再び離れ、植物の葉の表皮とデバイスに静電気が発生します」と Meder 氏は説明します。 「これらの電荷は植物の内部細胞組織に誘導され、そこで電流が発生します。 植物組織に挿入された電極によってこの電流を収集できます。」

植物に埋め込まれた既存のエネルギーハーベスタのいくつかは、同様の技術を使用して風力から電気を生成していますが、この研究グループは研究をさらに一歩進め、その装置が雨滴からもエネルギーを収集できるようにしました。

シリコーンエラストマー層は人工葉の底部に沿って配置され、葉の擦れる音から静電気を生成して収集しますが、人工葉の上面には別のフッ素化エチレンプロピレン（FEP）層があります。 雨滴がこの最上層に落ちると、表面が帯電し、人工葉の内部および上部に埋め込まれた電極が接続され、コンデンサが形成されます。 雨滴が縮小して葉の表面に広がると、電極間の容量結合が変化し、電流が発生します。

人工葉が雨滴と風から電気を生み出すyoutu.be

研究では、研究者らは生きているキョウチクトウ植物の葉の中に人工葉システムを埋め込み、さまざまな量の降雨と風のエネルギーを収集する能力を評価した。 彼らは、1 つの水滴が 40 ボルトと 15 マイクロアンペアを超える電圧と電流のピークを生成し、11 個の LED ライトに直接電力を供給できることを発見しました。

「その結果、このデバイスで風と雨のエネルギー収集が個別にまたは同時に可能であり、多機能のエネルギー収集装置または自家発電センサーとなることが明らかになりました」と、ロボット工学担当アソシエートディレクターであり、IITのバイオインスパイアード・ソフト・ロボティクスのディレクターであるバーバラ・マッツォライ氏は述べています。研究者も研究に参加しました。

彼女は、風力エネルギーのみに依存するこのような既存の環境発電システムは、表面が濡れると発電量が低下する傾向があると指摘しています。 しかし、研究者らは、彼らの新しいデバイスは、雨滴からエネルギーを収集するための最上部のFEP層を介して、湿った状態でも実際により多くの電力を生成できると報告しています。

この研究の結果に基づいて、研究者らは、電極や材料の形状などの設計変更によって人工葉の性能をさらに改善できる可能性が高いと考えています。

「私たちはこの技術に関して特許を申請しており、潜在的な市場を分析しています」とマッツォライ氏は言います。 「それでも、最終製品を定義する前に、いくつかの研究が必要です。たとえば、屋外の、大きく変化する風雨条件下でシステムを詳細にテストしたいと考えています。」