Wissenschaftler am Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) haben Techniken der künstlichen Intelligenz eingesetzt, um das Design und die Produktion von Nanofasern zu verbessern, die in tragbaren Nanofaser-Akustikenergieerzeugern (NAEH) verwendet werden. Diese akustischen Geräte erfassen Schallenergie aus der Umgebung und wandeln sie in elektrische Energie um, die dann in nützlichen Geräten wie Hörgeräten eingesetzt werden kann.
Die Studie ist veröffentlicht im Journal Nanoforschung.
Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um natürlich vorkommende und reichlich vorhandene Energiequellen aus unserer Umgebung zu gewinnen. Relativ neue Entwicklungen wie Sonnenkollektoren und Windturbinen ermöglichen es uns, Energie aus Sonne und Wind effizient zu gewinnen, in elektrische Energie umzuwandeln und für verschiedene Anwendungen zu speichern. In ähnlicher Weise kann die Umwandlung akustischer Energie in Verstärkergeräten wie Mikrofonen sowie in tragbaren, flexiblen elektronischen Geräten für die personalisierte Gesundheitsfürsorge beobachtet werden.
Derzeit besteht großes Interesse an der Verwendung von piezoelektrischen Nanogeneratoren – Geräten, die mechanische Schwingungen, Spannungen oder Belastungen in elektrische Energie umwandeln – als akustische Energieerzeuger. Diese Nanogeneratoren können mechanische Energie aus Schallwellen umwandeln, um Elektrizität zu erzeugen. Diese Umwandlung von Schallwellen ist jedoch ineffizient, da sie hauptsächlich im Hochfrequenzbereich erfolgt und die meisten Umgebungsschallwellen im Niederfrequenzbereich liegen. Darüber hinaus machen die Auswahl optimaler Materialien, das Strukturdesign und die Fertigungsparameter die Herstellung piezoelektrischer Nanogeneratoren zu einer Herausforderung.
Wie in ihrem Artikel beschrieben, gingen die TIBI-Wissenschaftler diese Herausforderungen auf zweierlei Weise an: Zunächst wählten sie ihre Materialien strategisch aus und entschieden sich für die Herstellung von Nanofasern aus Polyvinylfluorid (PVDF), das für seine Fähigkeit bekannt ist, akustische Energie effizient einzufangen. Bei der Herstellung der Nanofasermischung wurde der PVDF-Lösung Polyurethan (PU) hinzugefügt, um Flexibilität zu verleihen, und zur Herstellung der zusammengesetzten PVDF/PU-Nanofasern wurde Elektrospinnen (eine Technik zur Erzeugung ultradünner Fasern) verwendet.
Zweitens verwendete das Team Techniken der künstlichen Intelligenz (KI), um die besten Fertigungsparameter für das Elektrospinnen der PVDF/Polyurethan-Nanofasern zu ermitteln. Zu diesen Parametern gehörten die angelegte Spannung, die Elektrospinnzeit und die Trommeldrehzahl. Durch den Einsatz dieser Techniken konnte das Team die Parameterwerte anpassen, um eine maximale Stromerzeugung aus seinen PVDF/PU-Nanofasern zu erzielen.
Um ihren nanoakustischen Energieerzeuger herzustellen, formten die TIBI-Wissenschaftler ihre PVDF/PU-Nanofasern zu einer Nanofasermatte und betteten diese zwischen Aluminiumnetzschichten ein, die als Elektroden fungierten. Die gesamte Baugruppe wurde dann von zwei flexiblen Rahmen umhüllt.
In Tests mit konventionell hergestellten NAEHs zeigte sich, dass die resultierenden, KI-generierten PVDF/PU-NAEHs insgesamt eine bessere Leistung aufwiesen und eine mehr als 2,5-mal höhere Leistungsdichte sowie einen deutlich höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung (66 % gegenüber 42 %) erreichten.
Darüber hinaus konnten die KI-generierten PVDF/PU NAEHs diese Ergebnisse erzielen, wenn sie mit einem breiten Spektrum an Niederfrequenzgeräuschen getestet wurden – deutlich innerhalb der Pegel, die bei Umgebungsgeräuschen auftreten. Dies ermöglicht eine hervorragende Tonerkennung und die Fähigkeit, Wörter mit hoher Auflösung zu unterscheiden.
„Modelle, die eine Optimierung durch künstliche Intelligenz nutzen, wie das hier beschriebene, minimieren den Zeitaufwand für Versuch und Irrtum und maximieren die Wirksamkeit des fertigen Produkts“, sagte Dr. Ali Khademhosseini, Direktor und CEO von TIBI. „Dies kann weitreichende Auswirkungen auf die Herstellung medizinischer Geräte mit erheblicher Praktikabilität haben.“
Zu den Autoren der Studie gehören Negar Hosseinzadeh Kouchehbaghi, Maryam Yousefzadeh, Aliakbar Gharehaghaji, Safoora Khosravi, Danial Khorsandi, Reihaneh Haghniaz, Ke Cao, Mehmet R. Dokmeci, Mohammad Rostami, Ali Khademhosseini und Yangzhi Zhu.
Mehr Informationen:
Negar Hosseinzadeh Kouchehbaghi et al., Ein maschinenlerngestütztes Design und die Herstellung tragbarer nanofaseriger akustischer Energiesammler, Nanoforschung (2024). DOI: 10.1007/s12274-024-6613-6
Zur Verfügung gestellt vom Terasaki Institute for Biomedical Innovation