เสื้อผ้าอัจฉริยะที่สามารถควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่

          คงจะดีไม่น้อยถ้าสิ่งที่เราสวมใส่ ไม่เพียงแต่สร้างความอบอุ่นและป้องกันอันตรายให้แก่ร่างกายเรา แต่ยังเป็นอุปกรณ์อัจฉริยะที่สามารถสั่งการควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กต่าง ๆ ให้สามารถใช้งานได้ด้วยตนเอง โดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟภายนอกเข้ามาช่วย เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยซุงคยุนควาน (Sungkyunkwan University) ประเทศเกาหลีใต้ ได้ร่วมมือกับสถาบันออสเตรเลียสำหรับวัสดุเชิงนวัตกรรม (Australian Institute for Innovative Materials) ประเทศออสเตรเลีย ได้ริเริ่มคิดค้นต้นแบบนวัตกรรมเสื้อผ้าอัจฉริยะ (Smart suit) ^[1] ที่ถูกพิสูจน์ให้เห็นในทางปฏิบัติว่าสามารถใช้ควบคุมการแสดงผลของจอภาพผนึกเหลว (Liquid crystal display, LCD) และการเปล่งแสงของหลอดไฟไดโอดเปล่งแสง (Light emitting diode, LED) ขนาดเล็กได้ นอกจากนั้นยังสามารถใช้ควบคุมระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความซับซ้อนขึ้น เช่น การควบคุมทางไกลของรถยนต์ (Car remote control) ได้อีกด้วย จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญในการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานในรูปแบบใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพสูง โครงสร้างไม่ซับซ้อน มีต้นทุนต่ำ และสามารถใช้ได้จริงในเชิงปฏิบัติ


          เสื้อผ้าอัจฉริยะดังที่กล่าวนั้น ออกแบบโดยใช้หลักการของอุปกรณ์ผลิตพลังงานขนาดเล็กไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator, TENG) ^[2,3] ซึ่งคิดค้นโดยทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Zhong Lin Wang จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจีย ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยใช้หลักการของการเสียดสีกันของวัสดุสองชนิด ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวของวัสดุ (ประจุบวกและประจุลบ) ตามพื้นฐานของปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต โดยวัสดุแต่ละชนิดจะมีความสามารถในการถ่ายเทประจุไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ^[4] ประจุไฟฟ้าที่ถือกำเนิดขึ้นเหล่านี้นั้น จะสามารถถ่ายเทไปยังโหลดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายนอกได้ ถ้ามีการทำขั้วไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ 


          สำหรับขั้นตอนการสร้างเสื้อผ้าอัจฉริยะนั้น นักวิจัยได้นำเสื้อผ้าต้นแบบที่มีการเคลือบเงิน (Silver) มาแล้ว มาเคลือบชั้นของแท่งนาโนซิงค์ออกไซด์ (Zinc oxide, ZnO) เพื่อช่วยเป็นชั้นในการช่วยผลิตและสะสมประจุไฟฟ้าจากหลักการเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectricity) หลังจากได้รับแรงกระตุ้นเชิงกล หลังจากนั้น ได้มีการเคลือบพอลิเมอร์พอลิไดเมทิลไซลอกเซน (Polydimethylsiloxane, PDMS) ลงบนพื้นผิวของ ZnO อีกด้วย เพื่อทำให้เนื้อผ้ากลายเป็นลักษณะของวัสดุคอมโพสิต (Composite material) โดยปกติแล้วชั้นวัสดุแค่ชั้นเดียวไม่สามารถทำให้เกิดผลของไทรโบอิเล็กทริกได้ เพราะฉะนั้น จึงจำเป็นต้องหาวัสดุไทรโบอิเล็กทริกอีกชนิด มาใช้ในการรับแรงเสียดสี ในงานวิจัยนี้ได้เลือกผ้าชนิดเดียวกันกับเสื้อผ้าต้นแบบที่ผ่านการเคลือบเงิน นำมาใช้เป็นวัสดุไทรโบอิเล็กทริกและขั้วทางไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน

 

กระบวนการสร้างต้นแบบเสื้อผ้าอัจฉริยะ ตามหลักการของ TENG ^[1] 

          ก่อนการทดสอบในทางปฏิบัติ นักวิจัยได้ทดสอบผลทางไฟฟ้า โดยการสร้างอุปกรณ์ TENG ตามรูปแบบอย่างง่าย โดยใช้วัสดุคอมโพสิตที่สร้างขึ้นจากผ้าเป็นวัสดุหลัก จากรูปจะพบว่า เมื่อชั้นเงินที่เคลือบเนื้อผ้า ได้รับแรงกระทำในแนวดิ่ง จนลงมาสัมผัสกับชั้น PDMS ของวัสดุคอมโพสิต จะเกิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิว โดยที่ความสามารถในการถ่ายเทประจุนั้นจะขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ ซึ่งปกติแล้วเงินจะมีความสามารถในการถ่ายเทประจุลบ จึงทำให้บนพื้นผิวกลายเป็นประจุบวก ส่วนชั้น PDMS นั้นจะมีความสามารถในทางตรงข้าม [4] หลังจากการสัมผัสกัน ถ้าวัสดุสองชนิดแยกออกจากกัน จะมีสนามไฟฟ้าเกิดขึ้น พร้อมทั้งเกิดการเหนี่ยวนำทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าออกไปตามขั้วไฟฟ้าสู่โหลดภายนอก เนื่องจากวัสดุต้องการรักษาความสมดุล (Equilibrium) ของประจุไฟฟ้าภายในให้มีความเป็นกลางเสมอ เพราะฉะนั้นถ้ามีการป้อนแรงเชิงกลให้วัสดุเกิดการสัมผัสกันอีกครั้ง สลับกับการปลดปล่อยให้วัสดุแยกออกจากกันเป็นวัฏจักร (Cycle) สัญญาณทางไฟฟ้ากระแสสลับจะถือกำเนิดขึ้น  
 

กระบวนการทดสอบการทำงานของอุปกรณ์ TENG ที่สร้างตามรูปแบบอย่างง่าย ^[1]

          อุปกรณ์ TENG ที่ทีมนักวิจัยได้สร้างขึ้น เมื่อทำการสร้างเป็นลักษณะโมดูล (Module) พบว่าสามารถกำเนิดแรงดันและกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยได้ถึง 170 โวลต์ และ 120 ไมโครแอมแปร์ ตามลำดับ ซึ่งเพียงพอที่จะนำไปขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ดังเช่น ตัวเก็บประจุ หลอด LED และจอ LCD เป็นต้น นอกจากนั้น ยังสามารถนำไปเป็นแหล่งพลังงานให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กได้เช่นกัน
     
    

ผลทางไฟฟ้า ประสิทธิภาพการชาร์จประจุ และลักษณะการต่อแบบหลายโมดูล ของอุปกรณ์ TENG ^[1]

          เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์กักเก็บพลังงานเชิงกลรูปแบบดั้งเดิม นั่นคือ อุปกรณ์ผลิตพลังงานขนาดเล็กเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric nanogenerator) จะพบว่ามีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงกว่า (ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เยอะกว่า) ในขนาดที่เท่ากัน นอกจากนั้นยังมีโครงสร้างที่ไม่ซับซ้อน และมีต้นทุนการผลิตที่ค่อนข้างต่ำ จึงทำให้อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานที่สร้างโดยใช้พื้นฐานของอุปกรณ์ TENG เป็นที่น่าสนใจต่อการวิจัยและพัฒนา เพื่อเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่สำคัญในอนาคต


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] W. Seung et al., Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano 9 (2015), 3501 – 3509.
• [2] F. -R. Fan, Z. -Q. Tian, and Z. L. Wang, Flexible triboelectric generator!, Nano Energy 1 (2012), 328 – 334.
• [3] S. Niu, and Z. L. Wang, Theoretical systems of triboelectric nanogenerators, Nano Energy 14 (2015), 161 – 192.
• [4] Insulating Yourself from the Effects of Static Electricity.http://www.screenweb.com/content/insulating-yourself-effects-static-electricity#.XJZIQSgzbBU(สืบค้นเมื่อ 3 เมษายน พ.ศ. 2562)