Серия «Инженерия ФАК материалов и систем»

Современная робототехника и высоко интегрированные системы мониторинга требуют распределенной сенсорной архитектуры, способной одновременно регистрировать множество физических параметров. Ключевым вызовом остается создание такой системы, которая была бы энергоэффективной, многофункциональной и масштабируемой.

Традиционные подходы не могут полностью удовлетворить эти требования, поскольку базируются на активном принципе работы. Функционально-активные контактные материалы предлагают принципиально новый класс решений. Эта технология позволяет создать сенсорный массив, который обеспечивает распределённую тактильную (деформационную), температурную, электростатическую и магнитную чувствительности при полном отсутствии внешнего питания. Система сама генерирует информационный сигнал (ЭДС) за счёт энергии внешнего воздействия.

Ограничения активных сенсорных систем

Современные сенсорные системы, ориентированные на регистрацию внешних воздействий, построены по активному принципу:

1. Матрица дискретных сенсорных элементов (тензорезистивных, емкостных, трибоэлектрических, пьезоэлектрических , оптических и т.п.).

2. Обязательное энергопотребление для сканирования и считывания.

3. Одна матрица диагностирует только одно физическое воздействие (тепло, давление и т.п.)

Архитектура пассивной сенсорики - функционально-активный контактный материал

Функционально-активный контактный материал - это новый материал, который перестает быть пассивным компонентом и становится активным сенсором-генератором.

Пример простейшей реализации такого материала - проводник с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов (ЗКРП-проводник). Это электрический проводник, состоящий из последовательно соединенных сегментов разнородных металлов и/или полупроводников, чередующихся таким образом, что каждый соседний контакт имеет противоположный знак контактной разности потенциалов.

Рис. № 1. Схема ЗКРП-проводника.

Физический механизм

Классический закон Вольта говорит, что в цепи из последовательно соединённых разнородных материалов в условиях термодинамического равновесия выходное напряжение контактных разностей потенциалов не суммируется.

ЗКРП-проводник использует тот факт, что в реальных условиях полного равновесия не существует. Любое внешнее воздействие (тепло, механическая нагрузка, электрическое поле и т.п.) создает локальный градиент, выводя систему из равновесия на уровне отдельного сегмента КРП.

• Микроскопические флуктуации (тепловые, механические) или внешние поля создают локальные градиенты. Эти градиенты активируют термоэлектрические, пьезоэлектрические или контактные эффекты, что приводит к генерации ЭДС (электродвижущей силы) - полезного информационного сигнала.

• Сигнал генерируется только на тех сегментах, которые непосредственно находятся в зоне градиента внешнего воздействия. Таким образом, последовательный опрос состояния (генерируемого напряжения) каждой контактной разности потенциалов - позволяет определить место воздействия с точностью до размера одного сегмента.

Векторный анализ напряжений и классификация воздействий

Ключевой задачей является не просто регистрация ЭДС, а разделение различных типов воздействий (тепло, деформация, поле) и точное определение их интенсивности. Решение этой задачи лежит в плоскости векторного анализа пространственно-временных сигнатур напряжений.

Система управления опрашивает состояние каждой КРП с высокой частотой, получая на выходе вектор напряжений. Разные типы воздействий формируют уникальные паттерны в этом векторе.

Пространственно-временная сигнатура

Алгоритмическая классификация

Для эффективного и точного разделения этих мульти физических факторов используется аппарат машинного обучения:

1. Обучение - сенсорный массив подвергается контролируемым, чистым воздействиям. Для каждого типа и интенсивности воздействия регистрируется соответствующий уникальный пространственно-временной вектор.

2. Классификация - ML-модель (например, CNN или SVM) анализирует форму и динамику текущего вектора, классифицируя его по типу (например, «Тепловое воздействие»).

3. Определение интенсивности - амплитуда пика или его интеграл, а также площадь под кривой пространственного распределения, служат регрессионными признаками. Максимальная амплитуда прямо пропорциональна интенсивности, позволяя определить точную количественную характеристику воздействия.

   +++===

Таким образом, функционально-активные контактные материалы выводят концепцию сенсорных матриц на новый уровень, предлагая:

• Нулевое потребление в режиме ожидания.

• Регистрация деформации, температуры, электростатики и магнетизма в одном, унифицированном элементе.

• Точность определения координат до размера сегмента КРП.

Эта технология открывает путь к созданию высоко интегрированных, автономных и адаптивных сенсорных систем для робототехники, индустриального мониторинга и носимой электроники.

Именно такую «электрическую кожу» мы создали из гексагональных металло-полупроводниковых ячеек. Эта удивительная структура, названная гексасенсором, способна уловить самые слабые флуктуации электростатического поля — и превратить их в электрический ток.

В основе гексасенсора лежит гексагональная (шестиугольная) решётка, собранная из чередующихся металлических (нихром и константан) проводников и полупроводниковых элементов. Эти микроструктуры умеют аккумулировать заряд и реагировать даже на слабые изменения поля вокруг них.

Успешный эксперимент, который может повторить любой.

Для эксперимента, в качестве полупроводника использовался оксид меди (CuO) , который был сформирован на поверхности медной проволочки при скрутке (медь, нихром, константан) после их нагрева до высокой температуры и естественного охлаждения. В этом случае, на поверхности меди образуется поверхностный слой полупроводника, толщиной порядка 5–20 нм, контактируемый с нихромом и константаном. Тако слой полупроводника - не прочный, но для эксперимента было достаточно для подтверждения работоспособности системы.

Что значит «чувствовать всё»?

Человеческое тело, как и любой объект, несёт на себе слабый заряд. Он почти незаметен, но достаточно подойти к чувствительной решётке — и она «знает», что вы здесь. Даже не касаясь её, вы меняете электростатическую обстановку. А система реагирует: между особыми диагоналями возникает настоящий электрический импульс — небольшой, ритмичный, как дыхание. Усиливается, когда вы приближаетесь или тянетесь рукой. Это не магия — это физика нового поколения.

Собирает энергию из окружающего мира?

Гексасенсор не нуждается в батарейках или источниках питания. Он собирает энергию из окружающего мира: из электрического поля Земли, статического напряжения воздуха, микрофлуктуаций от присутствия объектов. Он «ест» электростатику. И чем она активнее — тем больше ток.

Искусственная кожа, которая чувствует

Эта структура — больше, чем сенсор. Это прототип новой поверхности, которая умеет ощущать. Во время экспериментов было замечено, что, когда человек (объект) приближается к гексасенсору, система генерирует напряжение, зависящее от направления и характеристик объекта.

При этом структура не требует прикосновения: достаточно присутствия. Чем ближе объект, тем выше амплитуда.

Удивительно, что даже ориентация решётки по отношению к магнитному полю Земли влияет на величину сигнала. А значит, гексасенсор буквально «чувствует», где север.

И самое интересное: она автономна. Её элементы — как миниатюрные электрические барьеры, заменяющие нейроны. Они слегка асимметричны, впитывают флуктуации окрестного поля, выстраиваются в волновую музыкальность тока и дают системе способность «откликаться».

При изменении положения, тела, магнитоэлектрической ориентации или даже влажности — «кожа» чувствует… и сигнализирует.

Применения — уже не завтра, а сегодня

- Умные покрытия полов и стен, реагирующие на перемещение людей.

- Биосенсоры, улавливающие дыхание, сердечный ритм и изменённую электросреду возле тела.

- Экологические модули, определяющие грозы, электризацию воздуха или пылевые фронты.

- Одёжные сенсоры, которые работают без батареек и чувствуют ваше приближение.

- Элементы энергоавтономной «кожи» для роботов, дронов, архитектурных систем.

Почему это важно?

Это первый шаг к созданию действительно живущей электроники. Не включённой в сеть. Не требующей зарядки. Не разрушаемой временем. А питающейся из поля — словно синтетический организм, встроенный прямо в среду.

Завтра мы создадим из этой «кожи» поверхности, здания, одежду. Всё, что чувствует. Всё, что питается от того, что нас окружает.

Гексасенсор — это не просто сенсор. Это электрическая кожа нового мира.

Одним из перспективных направлений в этой области является преобразование пространственных энергетических флуктуаций (спонтанные тепловые, электростатические и электромагнитные колебания) – в низковольтное напряжение (!).

Физическая основа: энергетические флуктуации

Согласно законам статистической физики, при температуре выше абсолютного нуля (T > 0 K) в любой системе присутствуют энергетические флуктуации. На уровне проводников они проявляются в виде теплового шума Джонсона-Найквиста — случайных колебаний напряжения, вызванных тепловым движением электронов. В более общем случае, флуктуации вызываются как внутренними термическими причинами, так и внешними полями (например, низкочастотными вариациями магнитного поля окружающей среды, электромагнитным фоном от инфраструктуры и т. д.).

Известно, что сама по себе "шумовая" энергия имеет низкую плотность и не может быть напрямую использована как источник питания. Но на основе нового эффекта энергетической перегруппировки в функционально-активных контактных системах удалось создать прототип такого преобразователя.

Конструкция

Резонансный электромагнитный преобразователь энергетических флуктуаций схематически представлен следующим образом:

Первичная обмотка (1): Изготовлена из нового электропроводящего материала с функциональной контактной активностью - проводника, состоящего из чередующихся сегментов различных металлов (например, нихрома и константана). Каждый сегмент имеет длину, превышающую его поперечный размер в 2-4 раза, что оптимизирует количество соединений с контактной разностью потенциалов на единицу длины.

Вторичная обмотка (2): Предназначена для передачи индуцированного напряжения в нагрузку. Изготовлена из медного провода.

Коммутационное устройство (К1): обеспечивает периодическое замыкание и размыкание первичной обмотки с частотой до МГц.

Система управления (СУ): управляет переключением коммутационного устройства, обеспечивая резонанс системы.

Принципы работы

Закон Вольта утверждает, что в термодинамическом равновесии цепь из чередующихся разнородных проводников не создаёт суммарного напряжения, так как контактные разности потенциалов взаимно компенсируются. Но термодинамического равновесия, например, в городской черте, достичь невозможно. Это значит, что на выходе проводника с функциональной контактной активностью всегда присутствует небольшое напряжение.

В ходе экспериментальных работ с гексагональной топологией таких проводников был обнаружен уникальный эффект - перегруппировка контактных разностей потенциалов с генерацией электричества. Этот эффект заключался в том, что при шунтировании (коротком замыкании) части гексагональной топологии ФКА-проводников – выходное напряжение резко возрастало. (Эффект энергетической перегруппировки в функционально-активных контактных системах: Инженерия ФАК материалов и систем)

Таким образом работа устройства основана на следующих этапах:

- Замыкание части первичной обмотки.

- Генерация электрического импульса. За счёт энергетических перегруппировки в первичной обмотке возникает ток.

- Индукция во вторичной обмотке. Переменное магнитное поле индуцирует ЭДС во вторичной обмотке, которая передается в нагрузку.

- Размыкание первичной обмотки. Обмотка размыкается, прерывая ток и позволяя системе вернуться в исходное состояние. Цикл повторяется с частотой, настроенной на резонанс системы.

Экспериментальные исследования.

Для проверки работоспособности устройства был изготовлен прототип трансформатора с ферритовым кольцевым сердечником (типоразмер 100 x 60 x 15 мм). Первичная обмотка состояла из 32 витков биметаллического проводника (нихром и константан), а вторичная — из 32 витков медного провода. Коэффициент трансформации составил 1:1.

Результаты экспериментов.

В условиях относительного термодинамического равновесия на выходе ФАК обмотки всегда присутствовало "фоновое" напряжение порядка 20 мкВ уровня контактной разности потенциалов. Это всё, как по закону Алессандра Вольта. Но при коротком замыкании части первичной обмотки амплитуда выходного напряжения достигала 300 мкВ.

Основной проблемой стала реализация коммутационного устройства, способного коммутировать низкие напряжения уровня  20-300 мкВ. Традиционные полупроводниковые реле на такие напряжения коммутации не работают. Здесь нужны высокочувствительные электрохимические или микро электромеханические (MEMS) или ионные коммутаторы  на базе туннельных эффектов. В противном случае подводимая энергия для управления классическим ключом превысит энергию на выходе ...

Заключение

Можно говорить о создании базового прототипа автономного микро источника питания для сенсоров в системах интернета вещей (IoT) и других устройств, где использование химических, солнечных и т.п. батарей нецелесообразно. Текущий этап развития проекта определяется научной и технической задачей не только доказательством принципа работоспособности преобразователя, но и разработки прикладных решений по накоплению, стабилизации и синхронизации полученной энергии.

Сегодня разберём крутой физический эффект — энергетическую перегруппировку в функционально-активных контактных системах. Звучит как научная фантастика или околонаучный бред, кому как нравится. Но на деле это про то, как разнородные металлы при контактах "договариваются" друг с другом, обмениваются энергией и перераспределяют её, превращаясь в источники низковольтного напряжения для питания сенсоров в системах интернета вещей (IoT) и других устройств, где использование солнечных, химических батарей и т.п. нецелесообразно .

Поехали!!

Что это такое?

Представьте фрактальную электрическую систему из множества гексагональных цепей, собранных из разнородных металлических проводников с контактной разностью потенциалов (КРП). Согласно закону Вольта, в условиях термодинамического равновесия такая система не должна генерировать напряжение. Но всем известно, что идеального термодинамического равновесия в реальном мире достичь сложно, и, как показывают эксперименты, внутренние нелинейные процессы в системе приводят к появлению небольшого напряжения на выходе таких систем. Более того, экспериментальными работами подтверждено, что при шунтировании отдельных участков такой системы - выходное напряжение возрастает во много раз.

Итог — концепция коммутируемой энергетической перегруппировки, которая открывает путь к созданию новых источников питания низкого напряжения, использующих тепловые и другие флуктуации среды.

Конструкция системы

Фрактальное множество гексагональных контуров из шести разнородных металлов: константан (1) → нихром (2) → медь (3) → константан (4) → нихром (5) → сталь (6).

Каждая контактная разность потенциалов действует как мини-источник электричества, но в замкнутом контуре , согласно закону Вольта, в условиях полного термодинамического равновесия она равно 0. Но как Мы знаем, что полного термодинамического равновесия достичь трудно, поэтому в каждой гексагональной топологии создаётся некомпенсированный потенциал за счёт внешнего энергетического шума. Такая структура оптимально перераспределяет энергию внутри системы, эффективно используя КРП для преобразования энергетического шума в выходное напряжение, которое можно усилить шунтированием.

Как это работает?

Энергетический шум как источник энергии

Система преобразует рассеянную энергию (тепловые и электромагнитные флуктуации) в низковольтное напряжение. Она работает как самосинхронизированный преобразователь стохастической энергии. Энергетический шум в такой системе «растягивается» на всю систему и аккумулируется в КРП. Перераспределение энергии создаёт временный дисбаланс токов, концентрируя (собирая) энергию со всей системы на выходе. Физически перераспределение энергии обеспечивается шунтированием определённого числа гексагональных контуров с КРП.

Предполагается, что механизм перераспределения энергии основан на изменении электронной температуры вблизи границы раздела двух проводников. В условиях неравновесия, вызванного, например, наличием внешнего электрического, или ЭМ поля или градиентом температуры, электронная температура вблизи границы раздела двух проводников может отличаться от температуры решетки. Экспериментами подтверждено, что внешнее электрическое, ЭМ поле влияют на электронную температуру вблизи границы раздела проводников, что проявляется в значительном увеличении выходного напряжения системы.

Шунтирование в деталях:

• Шунтирование части гексагональных контуров системы снижает внутреннее сопротивление, увеличивая ток через незашунтированные контуры.

• На стыках разнородных металлов (термопарах) возникают локальные микро изменения температуры.

• После снятия шунтирования тепловой поток меняет направление, система возвращается к равновесию. В это время она выдаёт остаточное напряжение в нагрузку.

Перспективы

Таким образом, пока существуют внешние ЭМ, электростатические поля и т.п. - будет существовать энергетический шум. А это значит, что будут существовать всё это время источники низковольтного напряжения, например, для питания IoT - датчиков и т.п.

PS:

В следующих публикациях мы предметно рассмотрим практические решения низковольтных источников питания на эффекте энергетической перегруппировки в функционально-активных контактных материалах и системах.

Проблема традиционных термоэлектрических генераторов (ТЭГ)

Обычные ТЭГ, несмотря на свою простоту и надёжность, сталкиваются с фундаментальной проблемой — низким КПД.

- Металлические термопары достигают КПД лишь около 1%.

Корень этой неэффективности — очень высокое внутреннее сопротивление термоэлементов. Попытка напрямую подключать такую систему к нагрузке приводит к ничтожной отдаче мощности. Это похоже на попытку наполнить ведро через тончайшую соломинку — долго, неудобно и крайне неэффективно.

Даже передовые полупроводниковые элементы выдают максимум 5–15%.

Решение: синергия металлов и ёмкостей

Предложена инновационная конструкция, сочетающая металлические термопары и конденсаторы в единой емкостной архитектуре.

Базовая идея:

- Каждая термопара подключается к своему конденсатору.

- Все эти термопары и конденсаторы объединяются в одну схему накопления энергии.

Конструкция — "бутерброд" из фольги

Выполнить такую схему просто: слои разнородных металлов (например, тонкие фольги хромеля и копеля) укладываются попеременно, образуя множество термопар.

Между ними вставляются тончайшие прокладки из диэлектрика. В результате каждая пара металлов служит:

- как ветвь термопары, генерирующая напряжение при температурной разности;

- одновременно — как обкладка двух конденсаторов, встраиваемых прямо в структуру.

Таким образом, структура из многослойных термопар на фольге становится одновременно и термогенератором, и ёмкостным накопителем энергии.

Как это работает: "перекоммутация короткого замыкания"

Ключевая идея — это не прямое питание нагрузки, а быстрая зарядка накопителей (конденсаторов) и мгновенная их разрядка в нагрузку.

Алгоритм работы состоит из следующих этапов:

1. Заряд конденсаторов

Каждая термопара непрерывно заряжает свой конденсатор. Все конденсаторы заряжаются одновременно (но! ) до напряжения одной термопары.

2. Перекоммутация "короткого замыкания"

Для быстрого извлечения тока из термопар с высоким внутренним сопротивлением используются короткие импульсы замыкания через электронные ключи (например, полевые транзисторы). Ток короткого замыкания в цепи термопар моментально заряжает все конденсаторы до на много большего напряжения, чем выдаёт одна термопара.

3. Импульсный сброс энергии на нагрузку

После накопления энергии в конденсаторах происходит их управляемая разрядка в нагрузку. Поскольку конденсаторы способны отдать энергию значительно быстрее, чем способна её предоставить термопара напрямую — в нагрузке возникает мощный импульс тока.

4. Переменный ток на выходе

Благодаря чередованию двух конденсаторных блоков (например, A и B), которые поочередно заряжаются и разряжаются, формируется переменный ток на выходе.

Простая аналогия:

- Термопары — капельные источники воды.

- Все конденсаторы — стакан, который аккумулирует капли жидкости.

- Перекоммутация — это быстрый кран, открываемый "на полную", чтобы максимально быстро наполнить стакан.

- Нагрузка — колесо, которое крутится от того, как выливаете стакан.

Цикл: капли → стакан → резкий слив → вращение колеса → новый стакан → капли и т. д.

Такой цикл повторяется с частотой, обеспечивая на выходе устойчивый поток энергии.

Энергетический результат

В этом подходе ток в нагрузке больше не определяется внутренним сопротивлением термопар. Он зависит от:

- накопленной энергии в конденсаторах,

- их номинальной емкости,

- скорости перекоммутации цепей.

Почему КПД в 1% перестает быть актуальным?

Классический КПД для термоэлектрических преобразователей — примерно 1% — теряет смысл, если выделенную тепловую энергию мы всё равно не учитываем (например, в утилизации отходящего тепла).

Благодаря емкостной буферизации и импульсной коммутации:

- Энергия, которую термопара способна выдать, "извлекается полностью";

- Передача энергии в нагрузку – с минимальными потерями;

- Вся система работает на "своём максимуме", не разрушаясь и не перегреваясь.

Что это значит в практическом плане?

Емкостной термоэлектрический генератор открывает новые возможности:

- Энергоавтономные датчики и IoT-устройства с питанием от минимальной температурной разности;

- Утилизация низкопотенциального тепла на производстве;

- Новые источники свободной электроэнергии для бытовых и промышленных нужд — без движущихся частей и сложных систем.

Главный недостаток любых ТЭГ – их высокое внутреннее сопротивление – устранён за счёт емкостного накопления энергии и короткоимпульсной коммутации.

Главное: теперь эффективность определяется не формальным КПД термопары, а реализованной полезной выдачей энергии в нагрузку. Это — совсем другой подход.

Резюме:

Емкостной термоэлектрический генератор — это следующий шаг в развитии термогенерации: не замена ТЭГ, а их усиление через правильную схему преобразования энергии.

И эта технология уже способна решать реальные задачи.