Development of novel materials and low-cost devices for mechanical energy harvesting

Abstract

La tesi doctoral aborda el desafiament crític de la dependència energètica de l'Internet de les Coses (IoT). A mesura que s'expandeix, la seva capacitat per millorar l'eficiència, la productivitat i la conveniència en sectors com la indústria, la salut, l'agricultura i les ciutats intel·ligents és innegable. No obstant això, aquest creixement ha augmentat la demanda de noves fonts d'energia per alimentar els sensors sense fils de l'IoT, el que planteja importants desafiaments en matèria de sostenibilitat i eficiència energètica. En resposta a aquest problema, la investigació de la tesi es centra en el desenvolupament de solucions innovadores per fer que els sensors IoT siguin energèticament autosuficients a través del concepte de "recol·lecció d'energia" (EH), que implica la captura i conversió de l'energia ambiental en electricitat usable. Aquest enfocament es basa en l'ús de materials piezoelèctrics i triboelèctrics per generar energia a partir de vibracions mecàniques, camps magnètics i moviment humà. La tesi es divideix en dues àrees principals de recerca: els materials triboelèctrics i els materials piezoelèctrics. En el primer cas, s'efectua una investigació exhaustiva sobre els principis de l'electrificació per contacte per desenvolupar col·lectors d'energia eficients, capaços d'alimentar sensors amb la simple pulsació de la palma de la mà. D'altra banda, en l'àmbit dels materials piezoelèctrics, s'exploren dos enfocaments diferents. D'una banda, s'utilitza la impressió 3D per integrar materials piezoelèctrics en estructures dissenyades per capturar energia vibracional, mentre que, d'altra banda, s'investiga el potencial dels dispositius MEMS (Sistemes microelectromecànics) per a la captació d'energia. Dins de l'àmbit dels MEMS, es realitza un estudi centrat en la captació d'energia a partir de camps magnètics d'ultra baixa intensitat. A més, s'explora la possibilitat de combinar la tecnologia MEMS amb l'electrònica impresa, especialment a través del procés d'impressió per injecció d'una tinta, amb la finalitat de fusionar aquestes tecnologies i crear dispositius innovadors de recol·lecció d'energia vibracional. A més de la recerca, s'aborden consideracions econòmiques, ambientals i de sostenibilitat, amb un èmfasi particular en l'ús de materials lliures de plom i en l'optimització dels processos de fabricació mitjançant tècniques de prototipatge ràpid. En resum, la tesi ofereix una perspectiva sobre com abordar el desafiament de la dependència energètica en el context de l'IoT, proposant solucions innovadores que prometen obrir el camí cap a un futur més sostenible i eficient en termes energètics.

La tesis de doctoral aborda el desafío crítico de la dependencia energética de la Internet de las Cosas (IoT). A medida que se expande, su capacidad para mejorar la eficiencia, la productividad y la conveniencia en sectores como la industria, la salud, la agricultura y las ciudades inteligentes es innegable. Sin embargo, este crecimiento ha aumentado la demanda de nuevas fuentes de energía para alimentar los sensores inalámbricos de IoT, lo que plantea importantes desafíos en materia de sostenibilidad y eficiencia energética. En respuesta a este problema, la investigación de la tesis se centra en el desarrollo de soluciones innovadoras para hacer que los sensores IoT sean energéticamente autosuficientes a través del concepto de "recolección de energía" (EH), que implica la captura y conversión de la energía ambiental en electricidad usable. Este enfoque se basa en el uso de materiales piezoeléctricos y triboelétricos para generar energía a partir de vibraciones mecánicas, campos magnéticos y movimiento humano La tesis se divide en dos áreas principales de investigación: los materiales triboeléctricos y los materiales piezoeléctricos. En el primer caso, se lleva a cabo una investigación exhaustiva sobre los principios de la electrificación por contacto para desarrollar recolectores de energía eficientes, capaces de alimentar sensores con la simple pulsación de la palma de la mano. Por otro lado, en el ámbito de los materiales piezoeléctricos, se exploran dos enfoques distintos. Por un lado, se utiliza la impresión 3D para integrar materiales piezoeléctricos en estructuras diseñadas para capturar energía vibracional, mientras que, por otro lado, se investiga el potencial de los dispositivos MEMS (Sistemas microelectromecánicos) para la captación de energía. Dentro del ámbito de los MEMS, se realiza un estudio centrado en la captación de energía a partir de campos magnéticos de ultra baja intensidad. Además, se explora la posibilidad de combinar la tecnología MEMS con la electrónica impresa, especialmente a través del proceso de impresión por inyección de tinta, con el fin de fusionar estas tecnologías y crear dispositivos innovadores de recolección de energía vibracional. Además de la investigación, se abordan consideraciones económicas, medioambientales y de sostenibilidad, con un énfasis particular en el uso de materiales libres de plomo y en la optimización de los procesos de fabricación mediante técnicas de prototipado rápido. En resumen, la tesis ofrece una perspectiva sobre cómo abordar el desafío de la dependencia energética en el contexto del IoT, proponiendo soluciones innovadoras que prometen allanar el camino hacia un futuro más sostenible y eficiente en términos energéticos.

The doctoral thesis addresses the critical challenge of the energy dependence of the Internet of Things (IoT). As it expands, its ability to improve efficiency, productivity and convenience in sectors such as industry, health, agriculture, and smart cities is undeniable. However, this growth has increased the demand for new energy sources to power the IoT wireless sensors, posing significant sustainability and energy efficiency challenges. In response to this problem, the research of the thesis focuses on developing innovative solutions to make IoT sensors energetically self-sufficient through the concept of "energy harvesting" (EH), which involves the capture and conversion of environmental energy into usable electricity. This approach is based on the use of piezoelectric and triboelectric materials to generate energy from mechanical vibrations, magnetic fields and human movement. The thesis is divided into two main areas of research: triboelectric and piezoelectric materials. In the first case, a comprehensive research is being carried out on the principles of contact electrification to develop efficient energy collectors, capable of powering sensors with the simple pulse of the palm of the hand. On the other hand, in the field of piezoelectric materials, two different approaches are being explored. On the one hand, 3D printing is used to integrate piezoelectric materials into structures designed to capture vibrational energy, while on the other hand, the potential of MEMS devices (Microelectromechanical systems) for energy capture is investigated. Within the scope of MEMS, a study focused on the capture of energy from ultra-low-intensity magnetic fields is carried out. Furthermore, the possibility of combining MEMS technology with printed electronics, especially through the ink injection printing process, is being explored in order to merge these technologies and create innovative devices for collecting vibrational energy. In addition to research, economic, environmental and sustainability considerations are addressed, with particular emphasis on the use of lead-free materials and the optimization of manufacturing processes through quick prototyping techniques. In short, the thesis offers a perspective on how to address the challenge of energy dependence in the context of the IoT, proposing innovative solutions that promise to pave the way towards a more sustainable and energy efficient future.