Оригами — японское искусство складывания бумаги — давно перестало быть просто ритуальным украшением. Теперь это ключевой инструмент в науке и технике. От космических солнечных панелей до роботов, которые собираются сами, — принципы оригами меняют современную инженерию.

Одно из таких решений — гофрированный трибоэлектрический наногенератор (CO-TENG), гибкий датчик, который генерирует энергию за счет трения и сам складывается в нужную форму.

Трибоэлектричество — это способ получения тока при механическом контакте материалов: когда они соприкасаются и разъединяются, возникает заряд.

Трибоэлектрический эффект — это появление электрического заряда при трении двух материалов. Например, если потереть воздушный шарик о шерсть, он прилипнет к стене: это статическое электричество, частный случай трибоэффекта. В CO-TENG этот принцип работает для генерации энергии.

Группа ученых под руководством доцента Хироки Шигемуне из Технологического института Шибаура (Япония) создала CO-TENG-датчик, которому не нужны батарейки.

Медные электроды и политетрафторэтиленовую пленку нанесли на бумагу, а затем с помощью струйного принтера напечатали линии, по которым материал складывается сам.

В итоге получился легкий, дешевый, экологичный и автономный сенсор.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials Technologies.

Нас вдохновила элегантность оригами и растущий спрос на устойчивые, беспроводные датчики. Мы объединили эти идеи — и получили систему, которая сама собирается и питает себя, — говорит доктор Шигемуне.

Устройство преобразует механическое давление в электрические сигналы благодаря трению между слоями проводника и диэлектрика. Поскольку бумага складывается сама, датчик почти не требует ручной сборки — это идеальный инструмент для умных устройств нового поколения.

Ученые изучили, как толщина бумаги и ширина напечатанных линий влияют на угол сгиба и упругость. Сначала протестировали один сгиб, затем — многослойную гофрированную структуру, чтобы увеличить мощность. Оказалось, что несколько сложенных элементов дают в разы больше энергии и выдерживают больше 1000 сжатий.

Датчик уже испытали в «умной» упаковке. Когда на CO-TENG падал предмет, он генерировал сигналы, соответствующие силе удара. С помощью алгоритма LightGBM систему научили распознавать объекты с точностью 98,9%. Это открывает возможности для логистики: например, можно автоматически фиксировать повреждения грузов.

Такая упаковка изменит доставку. CO-TENG в реальном времени покажет, что уронили, насколько сильно и что внутри — без датчиков и батареек, — объясняет Хироши Хогоши.

Кроме логистики, технология пригодится в медицине и электронике. Гибкость CO-TENG позволяет встроить его в одежду для мониторинга движений или осанки — особенно для пожилых. Компактность делает его удобным для носимой электроники, а складываемая конструкция сокращает расходы на хранение и перевозку.

Это исследование — удачный синтез материалов, механики и электроники, который приближает эпоху автономных и экологичных технологий.

CO-TENG решает три ключевые проблемы:

• Энергоавтономность — не нужны батареи, значит, нет токсичных отходов.
• Дешевизна — бумага, медь и полимеры доступны, а печать упрощает производство.
• Гибкость применения — от мониторинга грузов до носимой электроники.

Особенно перспективно использование в логистике: представьте коробки, которые сами сообщают, если их трясли или роняли. Для медицины — датчики давления в умной обуви для диабетиков или бесшумные сенсоры для больничных кроватей.

Главный вопрос — долговечность в реальных условиях. Бумага боится влаги, а полимеры со временем изнашиваются. В статье упоминается 1000 циклов, но как поведет себя датчик через месяц под дождем? Также неясно, насколько точно он работает при вибрациях (например, в грузовике) — возможно, будут ложные срабатывания.

Ранее ученые создали датчики для спортсменов, которые питаются от движений.