Pin là một trong những trở ngại lớn trong việc phát triển những thiết bị ngày càng nhỏ và mạnh mẽ hơn.
Một thiết bị chỉ hoạt động tốt khi có một viên pin ngon, nhưng nếu làm không cẩn thận thì có thể dẫn tới những tình huống cháy nổ nguy hiểm. Và giải pháp mà các nhà khoa học cùng nhiều công ty đang hướng tới chính là dùng nguồn năng lượng từ chuyển động, nhiệt của cơ thể để chuyến hóa thành điện, cuối cùng là vận hành các thiết bị. Nói cách khác, đó chính là một thiết bị “tự cung cấp năng lượng” mà không cần phải sạc pin như xưa giờ.
Theo phó giáo sư kỹ thuật điện tử Dina El-Damak tại Đại học Nam California thì khi nói tới thiết bị tự cấp điện, người ta sẽ nghĩ tới những chiếc điện thoại hoặc vòng đeo thông minh có thể xài cho tới khi hư thì thôi mà không cần sạc, nhưng đối với các nhà khoa học thì họ quan tâm hơn tới những ứng dụng phục vụ sức khỏe con người, đặc biệt là các thiết bị cấy ghép trong y học như máy trợ tim,… El-Damak khẳng định: “Nếu thiết bị phụ thuộc vào pin, muốn thay pin thì cần phải phẫu thuật, do đó nếu có thể tạo ra một thiết bị y tế không cần pin vẫn hoạt động sẽ là một lợi thế rất lớn, thật sự ảnh hưởng tới cuộc sống của nhiều người".
Chưa hết, một thiết bị tự cấp điện còn có thể củng cố cho dự án kết nối não - não và não - máy tính mà Elon Musk cùng công ty Neuralink của ông phát triển vốn trọng tâm chính là một thiết bị kết nối trực tiếp vào não người. Trên thực tế, phần lớn các thiết bị cấy ghép não ở hiện tại chỉ có thể hoạt động được tối đa 5 năm và chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của pin.
Dùng nhiệt từ cơ thể tạo ra điện
Có nhiều cách tiếp cận để phát triển ra các thiết bị tự cấp điện.
Có nhiều cách tiếp cận để phát triển ra các thiết bị tự cấp điện. Một trong số đó là năng lượng áp điện, được tạo ra khi bạn tạo ra áp lực lên một loại vật liệu đặc biệt. Một cách làm khác vốn được nhiều người biết tới hơn, chính là thu năng lượng từ chuyển động. Mặc dù khá hứa hẹn nhưng nhược điểm của nó chính là thiết bị chỉ hoạt động khi bạn di chuyển (giống như đèn pin phải bóp mới cháy sáng được). Và nhiều nhà khoa học đã chọn cách tiếp cận thứ 3, được cho là khả thi nhất hiện tại chính là dùng nhiệt từ cơ thể con người, nói cho khoa học hơn thì nó là Nhiệt điện.
Theo Daryoosh Vashaee, kỹ sư điện tử tại Đại học Bắc bang Carolina: công nghệ phát điện tử nhiệt có tính khả thi bởi cơ thể chúng ta gần như luôn có nhiệt độ khác với không khí xung quanh. Hồi cuối năm ngoái, ông cùng các đồng nghiệp đã phát triển một thiết bị cỡ nhỏ hoạt động bằng nhiệt từ cơ thể người. Thiết bị này sử dụng những tấm kim loại gắn vào bên trong áo quần hoặc đeo trên một băng tay.
Theo Vashaee, ưu điểm tuyệt vời nhất của cách tiếp cận này chính là bạn không cần phải làm gì cả mà vẫn có điện. Tuy nhiên thách thức ở đây chính lượng điện thu được khá ít. “Các thiết bị này về cơ bản phụ thuộc vào sự chênh lệch vài độ, đôi khi chỉ là 1 độ, nên thiết bị cần phải thật sự có hiệu suất cao mới có thể dùng được một lượng rất nhỏ nhiệt để tạo ra lượng điện hữu ích”. Được biết chiếc máy của Vashaee chỉ có thể tạo ra được vài micro watt điện, quá ít so với nhu cầu của một chiếc smartphone hoặc vô vàng thiết bị khác. Tất nhiên, muốn tạo ra được nhiều điện hơn không phải là không được nhưng đổi lại, kích thước của thiết bị cũng to lên.
Những chiếc máy tiêu thụ cực ít điện năng?
Bởi thế, có người chọn cách tiếp cận là tạo nên những thiết bị sử dụng cực ít điện năng. Tuy nhiên, giáo sư El-Damak cho biết vấn đề lớn nhất chính là pin bị “rò rỉ”. Nghĩa là chỉ cần bạn đặt viên pin ở yên đó và không dùng thì nó vẫn mất năng lượng lưu trữ bên trong. Bởi thế, các nhà khoa học lại phải tìm cách khắc phục điều này. Hiện Đại học Bắc Carolina đang có một trung tâm phát triển thiết bị tự cấp năng lượng, tích hợp cảm biến và hiện đã có một nguyên mẫu thiết bị theo dõi sức khỏe kiểu này. Thiết bị này bao gồm một chiếc vòng đeo tay khá lớn màu cam và một miếng dán ngực. Chiếc vòng này có thể theo dõi những chỉ số như độ ẩm, nhiệt độ và thậm chí là những hợp chất hữu cơ trong không khí, còn miếng dán có thể theo dõi nhịp tim, chuyển động và nhịp thở.
Thu năng lượng từ ma sát
Một cách tiếp cận khác của những thiết bị tự cấp năng lượng chính là thu điện năng từ ma sát.
Một cách tiếp cận khác của những thiết bị tự cấp năng lượng chính là thu điện năng từ ma sát. Điều này có thể hình dung như tĩnh điện tạo ra khi bạn cọ 2 miếng len lại với nhau. Nói theo khoa học thì đó là "triboelectric effect” hay hiệu ứng tĩnh điện ma sát. Một nhóm các nhà khoa học đang kết hợp hiệu ứng này với cả chuyển động để tạo nên một thiết bị đeo đàn hồi có thể tự cấp năng lượng. Khi được dán vào da, thiết bị này có thể tạo ra được vài watt năng lượng trên mỗi mét vuông, nghĩa là đủ để phát sáng một bóng đèn.
Có rất nhiều vật liệu hỗ trợ hiệu ứng tĩnh điện ma sát nhưng theo các nhà khoa học, polymer là vật liệu hoàn hảo nhất cho việc này. Zhong Lin Wang, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu thiết bị tạo điện từ ma sát cho biết: “Quá trình đi tìm vật liệu mất khá nhiều công sức, thử qua các loại vật liệu từ giấy, lụa, sợi, gỗ, bề mặt kim loại và cả vật liệu hữu cơ. Bởi thế cách tạo ra điện này có nhiều lựa chọn hơn so với các cách làm khác và nó có thể tạo ra điện nhiều hơn so với việc tận dụng nhiệt từ cơ thể".
Wang cho biết thêm rằng: “Tính dẻo chính là chìa khóa của vấn đề. Khi vật liệu của bạn có tính dẻo, bạn có thể tận dụng được bề mặt da người để bố trí thiết bị”. Được biết nhóm của Wang đã dùng thiết bị đeo có tính dẻo để tạo thiết bị tích hợp cảm biến đo thân nhiệt, đồng thời ông cho rằng bất cứ thứ gì có liên quan tới vải đều có thể áp dụng đợc: “Hãy tưởng tượng những hệ thống an ninh sử dụng cảm biến nhúng trong màn cửa hoặc dưới thảm".
Bao giờ chúng ta được xài?
Có thể, sau 3 năm nữa chúng ta sẽ được dùng pin mà không cần sạc.
Được biết hiện nhóm của Wang và Misra đang làm việc với các công ty nhằm thương mại hóa công nghệ này. Wang cho biết rằng có thể công nghệ của ông sẽ có mặt trên thị trường sau 3 năm nữa. Cho tới hiện tại thì thiết bị gần như là duy nhất có thể tự cấp điện bằng thân nhiệt chính là Matrix Watch. Mấy anh bên The Verge có đi coi thử bản demo hồi cuối năm ngoái và kể lại: “Đó là một chiếc đồng hồ mặt tròn màu đen, hơi lớn nhưng không quá lố. Người ta đã thử dùng nước đá trong tủ lạnh để bật chiếc đồng hồ (do nó sử dụng nhiệt từ cơ thể và lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ nên có phản ứng với nước đá lạnh). Tuy nhiên, nó hoạt động khá chậm chạp và còn nhiều lỗi".
Đó là những gì mà cho tới hiện tại, người ta nghĩ và làm để mang giấc mơ về một thiết bị xài hoài không cần sạc pin. Có lẽ cũng phải mất vài năm nữa thì giấc mơ ấy mới biến thành hiện thực nhưng hãy tưởng tượng, một ngày mà smartphone, đồng hồ thông minh, vòng đeo tay,… không cần phải sạc pin nữa. Quá tuyệt vời. Đồng thời những thiết bị cấy ghép như máy trợ tim, thiết bị cấy ghép não cho người khuyết tật,… cũng có thể hoạt động mãi mãi từ chính năng lượng do con người sản sinh ra. Và có lẽ, các hãng làm sạc dự phòng và cáp sạc sẽ không thích điều này.