تولید برق از بال زدن زنبورها!

پژوهشگران چینی موفق به ساخت یک برداشت‌کننده انرژی پیزوالکتریک (PEH) فوق‌سبک شده اند که با استفاده از ارتعاشات بال زدن زنبورها بدون آسیب رساندن به پرواز طبیعی آن‌ها برق تولید می‌کند.

به گزارش تکناک، محققان مؤسسه فناوری پکن و دانشگاه Sun Yat-sen چین این وسیله را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که با فرکانس طبیعی لرزش قفسه سینه زنبورها همخوانی داشته باشد و بدین ترتیب، بدون مزاحمت برای پرواز، به‌طور کارآمد انرژی برداشت کند.

این جمع‌آوری‌کننده که از فیلم‌های انعطاف‌پذیر PVDF ساخته شده و تنها ۴۶ میلی‌گرم وزن دارد، توانسته است با حفظ توانایی زنبورها در معلق ماندن، پشتک زدن و پرواز، خروجی انرژی قابل توجهی ایجاد کند.

محققان با تنظیم دقیق دستگاه بر اساس فرکانس لرزش قفسه سینه زنبورها و بهینه‌سازی مرکز ثقل آن، موفق شدند به ولتاژ خروجی ۵.۶۶ ولت و چگالی توان ۱.۲۷ میلی‌وات بر سانتیمتر مکعب دست یابند.

برداشت انرژی از زنبورها

در حالی که پیشرفت‌های اخیر در مهندسی زیست‌الهام‌شده امکان برداشت کارآمد انرژی از سایبورگ‌های حشرات را نزدیک‌تر کرده است، همچنان طراحی دستگاه‌هایی فوق‌سبک که بر پرواز حشرات تأثیر نگذارد چالشی اساسی به شمار می‌آید.

برای غلبه بر این چالش و معرفی الگوهای جدید طراحی برای سامانه‌های برداشت انرژی زیستی در مقیاس میکرو، تیم تحقیقاتی با تطبیق فرکانس تشدید دستگاه با فرکانس لرزش قفسه سینه زنبورها و بهینه‌سازی مرکز ثقل، موفق به تبدیل کارآمد انرژی بدون بر هم زدن پایداری پرواز شد.

جی‌لیانگ ژائو، استاد دانشگاه فناوری پکن و نویسنده مسئول این مطالعه، اظهار داشت: «با یکپارچه‌سازی تطبیق بازه فرکانسی و بهینه‌سازی مرکز ثقل، توانستیم فرکانس تشدید جمع‌آوری‌کننده را با لرزش قفسه سینه زنبور هماهنگ کنیم و تبدیل مؤثر انرژی را بدون لطمه زدن به پایداری پرواز محقق سازیم.»

این جمع‌آوری‌کننده با بهره‌گیری از فیلم‌های انعطاف‌پذیر PVDF، طراحی دوبل کریستالی برای افزایش ولتاژ خروجی و تنظیم دقیق بر فرکانس طبیعی ۲۱۰ تا ۲۲۰ هرتز زنبورها، نیاز به باتری‌های حجیم را حذف کرده و طول عمر عملکردی سایبورگ‌های حشره‌ای را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این موضوع را جیانینگ وو از دانشگاه Sun Yat-sen بیان کرده است.

نگاهی به آینده با وزوز زنبورها

محققان برای ساخت این جمع‌آوری‌کننده انرژی پیزوالکتریک (PEH)، زیرلایه‌های مسی را با لیزر برش دادند و به کمک چسب رسانا آن‌ها را به فیلم‌های PVDF متصل کردند. سپس با استفاده از قالب‌های چاپ سه‌بعدی، دستگاه را به شکل نهایی فوق‌سبک خود رساندند که تنها ۴۶ میلی‌گرم وزن دارد.

آنان طراحی خود را با شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی در نرم‌افزار Comsol اعتبارسنجی کردند و تطابق نتایج پیش‌بینی شده جابجایی و خروجی ولتاژ را با داده‌های آزمایشگاهی به اثبات رساندند.

ونژونگ وانگ، استاد دانشگاه فناوری پکن و نویسنده اصلی این پژوهش، توضیح داد: «دوربین‌های پرسرعت CMOS بینش‌های حیاتی درباره دینامیک بال‌زدن زنبورها در اختیار ما گذاشتند و این امکان را فراهم کردند که فرکانس تشدید جمع‌آوری‌کننده را تحت شرایط بار متغیر بهینه کنیم.»

به گفته ژائو، زنبورها حتی پس از اتصال PEH، رفتار طبیعی پروازی خود را حفظ کردند، در مدت کمتر از دو ثانیه پس از پشتک زدن به حالت عادی بازگشتند و به راحتی شناور شدند که نشان‌دهنده کمترین میزان اختلال بیومکانیکی بود.

با این حال، علی‌رغم عملکرد قوی این جمع‌آوری‌کننده از نظر چگالی انرژی و زیست‌سازگاری، چالش‌هایی همچون ذخیره‌سازی انرژی و مقیاس‌پذیری همچنان باقی مانده‌اند.

محققان در پایان تأکید کردند: «در تحقیقات آینده، تمرکز بر یکپارچه‌سازی مدارهای مدیریت انرژی و توسعه این روش برای سایر حشرات پرنده مانند سنجاقک‌ها و پروانه‌ها خواهد بود تا راهکارهای استاندارد انرژی برای سامانه‌های بیوهیبرید ایجاد شود.»