Магнитная жидкость сможет питать носимую электронику от вибраций

Зависимость индуцированного напряжения от скорости движения флакона, наполовину заполненного намагниченной феррожидкостью. Автор: Институт экспериментальной физики САН

Современные устройства, от фитнес-трекеров и умной одежды до датчиков Интернета вещей (IoT), требуют компактных и устойчивых источников питания. В новом исследовании, опубликованном в Scientific Reports, ученые представили сборщик энергии на основе горизонтально закрепленного флакона, наполовину заполненного биодеградирующей феррожидкостью.

При приведении в боковое движение феррожидкость перемещается во внешнем магнитном поле, а близлежащая катушка улавливает индуцированное напряжение. Систематически изменяя конфигурации магнитов и концентрации наночастиц, исследователи выяснили, как геометрия магнитного поля и намагниченность феррожидкости влияют на выход энергии.

Команда под руководством доктора Михала Райняка из Института экспериментальной физики САН и Технического университета в Кошице продемонстрировала новый подход к сбору вибрационной энергии с использованием феррожидкостей — жидкостей, насыщенных магнитными наночастицами, — который может помочь в питании носимой электроники и распределенных датчиков.

Экспериментальные результаты и оптимальные конфигурации

Эксперименты с пятью феррожидкостями с разной намагниченностью выявили четкие тенденции. Собранная электрическая мощность линейно возрастает с насыщенной намагниченностью феррожидкости в оптимальной конфигурации. Наиболее эффективная установка использует один постоянный магнит, прикрепленный к боковой стенке флакона, создавая магнитное поле, перпендикулярное как оси колебаний, так и гравитации.

В этой конфигурации наибольшая измеренная мощность достигла приблизительно 232,6 нВт для наиболее сильно намагниченной жидкости. Примечательно, что в более сильных магнитных полях движение феррожидкости затрудняется из-за магнито-вязкого эффекта, снижая индуцированное напряжение, что напоминает: более сильные поля не всегда генерируют больше мощности.

Преимущества и будущие применения

Этот легкий и гибкий подход к сбору энергии предлагает преимущества по сравнению с традиционными электромагнитными сборщиками, которые обычно полагаются на тяжелые движущиеся магниты. Используемые здесь феррожидкости приготовлены в биодеградирующем трансформаторном масле, снижая экологический риск в случае утечки. Кроме того, поскольку механизм перемещения реагирует на механические возбуждения с нескольких направлений относительно магнитного поля, метод хорошо подходит для нерегулярных или многоосевых вибраций, обычных в носимых устройствах и структурных датчиках.

Как отмечает ведущий автор, «Наши результаты показывают, что тщательно организованное магнитное поле в сочетании с правильной намагниченностью феррожидкости может преобразовывать повседневные механические вибрации в электрическую энергию. Это открывает путь к по-настоящему самопитающимся устройствам».

Хотя текущие уровни мощности остаются в нановаттном диапазоне, авторы предполагают, что в будущем масштабирование, массивы катушек и феррожидкостных модулей могут быть объединены для достижения более высоких выходных мощностей. Потенциальные применения включают самопитающиеся носимые датчики, требующие мало или вообще не требующие емкости батареи, встроенные датчики вибрации в промышленном оборудовании, которые собирают собственную энергию, и интеллектуальные системы мониторинга структурного здоровья, где замена батареи непрактична.

Больше информации: Michal Rajnak et al, Vibration energy harvesting by ferrofluids in external magnetic fields, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-12490-w

Источник: Institute of Experimental Physics SAS