Los científicos del Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica (TIBI) han utilizado técnicas de inteligencia artificial para mejorar el diseño y la producción de nanofibras utilizadas en recolectores de energía acústica de nanofibras portátiles (NAEH). Estos dispositivos acústicos capturan la energía sonora del entorno y la convierten en energía eléctrica, que luego puede aplicarse a dispositivos útiles, como los audífonos.
Se han realizado muchos esfuerzos para aprovechar fuentes de energía abundantes y naturales del entorno que nos rodea. Desarrollos relativamente recientes, como los paneles solares y las turbinas eólicas, nos permiten capturar eficientemente la energía del sol y el viento, convertirla en energía eléctrica y almacenarla para diversas aplicaciones. De manera similar, la conversión de energía acústica se puede observar en dispositivos de amplificación como micrófonos, así como en dispositivos electrónicos flexibles y portátiles para el cuidado personal de la salud.
Actualmente, ha habido mucho interés en el uso de nanogeneradores piezoeléctricos (dispositivos que convierten la vibración mecánica, el estrés o la tensión en energía eléctrica) como recolectores de energía acústica. Estos nanogeneradores pueden convertir la energía mecánica de las ondas sonoras en electricidad. Sin embargo, esta conversión de ondas sonoras es ineficiente, ya que ocurre principalmente en el rango de sonido de alta frecuencia y la mayoría de las ondas sonoras ambientales se encuentran en el rango de baja frecuencia. Además, la selección de materiales óptimos, el diseño estructural y los parámetros de fabricación dificultan la producción de nanogeneradores piezoeléctricos.
Como se describe en su artículo. NanoinvestigaciónEl enfoque de los científicos de TIBI ante estos desafíos fue doble: primero, seleccionaron sus materiales estratégicamente y optaron por fabricar nanofibras utilizando fluoruro de polivinilo (PVDF), que absorbe la energía acústica y es conocido por su capacidad para lograr resultados efectivos. Al fabricar la mezcla de nanofibras, se añadió poliuretano (PU) a la solución de PVDF para aumentar la flexibilidad, y se utilizó electrohilado (una técnica para fabricar fibras ultrafinas) para fabricar nanofibras compuestas de PVDF/PU.
En segundo lugar, el equipo utilizó técnicas de inteligencia artificial (IA) para determinar los parámetros de fabricación óptimos implicados en el electrohilado de nanofibras de PVDF/poliuretano. Estos parámetros incluían voltaje aplicado, tiempo de electrohilado y velocidad de rotación del tambor. El uso de estas técnicas permitió al equipo ajustar los valores de los parámetros para lograr una generación de energía óptima a partir de sus nanofibras de PVDF/PU.
Para construir su recolector de energía nanoacústica, los científicos de TIBI formaron sus nanofibras de PVDF/PU en una estera de nanofibras y la intercalaron entre capas de malla de aluminio que servían como electrodos. A continuación, todo el conjunto se rodeó con dos marcos flexibles.
En las pruebas contra NAEH fabricados convencionalmente, se encontró que el rendimiento general de los NAEH de PVDF/PU fabricados con IA resultantes era superior, con niveles de densidad de potencia 2,5 veces más altos y una eficiencia de conversión de energía significativamente mayor (66 % frente a 42 %). Además, los NAEH de PVDF/PU producidos por IA pudieron lograr estos resultados cuando se probaron con una amplia gama de sonidos de baja frecuencia, muy dentro de los niveles encontrados en el ruido de fondo ambiental. Esto permite un excelente reconocimiento de voz y la capacidad de distinguir palabras con alta resolución.
El director y director ejecutivo de TIBI, Ali Khadim Hosseini, Ph.D., dijo: “Los modelos que utilizan optimización de inteligencia artificial, como el que se describe aquí, minimizan el tiempo dedicado a prueba y error y maximizan la efectividad del producto terminado”. “Esto podría tener implicaciones de gran alcance para el desarrollo de dispositivos médicos con una utilidad práctica significativa”.
