Поверхность с автономным питанием может оценить игру в настольный теннис

Инженеры использовали дерево для создания датчиков с автономным питанием, отслеживающих мяч.

Может ли умная поверхность улучшить ваши результаты в настольном теннисе? Инженеры Технологического института Джорджии построили устройство с автономным питанием, которое отслеживает ваши игры - без батарей или шнура питания.

Rawpixel / iStock / Getty Images Plus

Поделись этим:

  • Facebook
  • Твиттер
  • Reddit
  • Google Classroom
  • Распечатать

22 января 2020 г., 6:45

Чжун Линь Ван начал играть в настольный теннис всего четыре года назад. Но в прошлом году он и другие исследователи придумали хитрый способ улучшить свою игру: создать умный стол.

Сейчас они только что представили прототип. Он может измерять, где приземляется мяч, как быстро он летит и куда он направляется. Стол может это сделать, потому что его инновационная деревянная поверхность образует верхний слой нового датчика с автономным питанием. По словам Ванга, полученные данные могут помочь игрокам добиться лучших результатов.

Ван - материаловед в Технологическом институте Джорджии в Атланте. Он описывает изобретение как машину, которая может научиться «анализировать поведение» того, как кто-то играет.

Важно отметить, что новому интеллектуальному столу не потребуется батарея для обнаружения мяча. Когда мяч ударяется о дерево, он запускает цепочку событий, которые могут генерировать небольшой электрический ток и записывать измерения поведения мяча.

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

1win официальный сайт зеркало

Хасан Аскари говорит, что он «больше всего поражен» этим - и количеством материалов, которые, как оказалось, обладают этим свойством. Аскари - инженер-механик из Университета Ватерлоо в Канаде. Он не работал над новым датчиком, но изучает материалы с автономным питанием.

Использование электричества для изучения игрового процесса

Ван - эксперт в изобретении устройств, обеспечивающих собственное питание. В 2012 году он изобрел трибоэлектрический наногенератор. Он называет это для краткости TENG. Даже если вы никогда не слышали о «трибоэлектричестве», вы знаете это явление. Большинство из нас называют это статическим электричеством.

В засушливые зимние дни, если вы пройдетесь по ковру в носках, а затем коснетесь дверной ручки, вы можете почувствовать шок. Это движение привело к тому, что на вашем теле скопились отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Чтобы уравновесить ситуацию, когда вы касались дверной ручки, электроны прыгали от вас к этой ручке. Этот поток электронов - электрический ток - создавал статический электрический разряд, который вы ощущали.

Первый TENG, который Ван собрал в 2012 году, выглядел как бутерброд. В нем были слои заряженных материалов, разделенных небольшим зазором. Когда сэндвич изгибается или меняет форму, его многослойные материалы трутся друг о друга. Это привело к тому, что электроны начали накапливаться с одной стороны. Это оставило положительный заряд на другой стороне бутерброда. Когда отрицательно и положительно заряженные стороны позже отделились и удалялись друг от друга, они генерировали небольшой электрический ток. Он прошел через медный провод с отрицательной стороны.

На протяжении многих лет Ван работал с исследователями над созданием множества устройств с использованием TENG. Например, они сделали пластиковые шары, которые могут плавать в океане, создавая небольшие течения, покачиваясь на волнах. А некоторые клавиатуры, которые они построили, получают энергию от набора текста.

Почему дерево?

Что делает новый игровой стол по-настоящему уникальным, так это использование дерева в качестве одного из слоев TENG. Как выяснилось, Ван объясняет, что «дерево - отличный трибоэлектрический материал».

Группа Вана рано поняла, что нельзя полагаться на древесину, которая идет прямо из дерева. Это слишком сложно и слишком легко сломать. Им нужно было дерево, которое могло гнуться.

Объяснитель: Что такое полимеры?

Лигнин - это вещество, которое делает древесину и другие растения жесткими и твердыми. Это натуральный полимер или материал, состоящий из длинных цепочек молекул. Чтобы удалить лигнин, ученые кипятили бальзовую древесину в химических веществах в течение семи часов. Затем они окунули древесину в кипящую воду, чтобы смыть химикаты. (Если вы будете следовать таким шагам достаточно долго, дерево в конечном итоге станет прозрачным. Другая команда использовала что-то подобное, чтобы сделать оконное «стекло» из дерева.) Как только оно вышло из кипящей ванны, дерево теперь легко сгибалось и гнулось.

Затем ученые разрезали обработанную древесину на небольшие квадраты. У каждого из них была всего 4,5 сантиметра (1,8 дюйма) со стороны. Эти квадраты стали верхним слоем ТЭНа. Под этим деревом они добавили слой меди, чтобы проводить электричество. Они прикрепили этот слой к медной проволоке. Затем вместо мяча для настольного тенниса они ударяют по поверхности твердым пластиком. Когда он зарегистрировал электрический ток, они перешли к созданию испытательного стола.

Команда Вана также опубликовала свои выводы о новых датчиках 26 ноября 2019 года в Nature Communications.

От столов TENG к большему?

Когда мяч ударяется о поверхность древесины, древесина прижимается к слою меди. Электроны накапливаются. Когда древесина изгибается в исходное положение, через проволоку проходит небольшой ток. В лабораторных испытаниях инженеры показали, что сетку из деревянных TENG можно использовать для измерения того, куда попадает мяч, насколько быстро он летит и под каким углом движется. По словам Ванга, игроки в настольный теннис могут использовать такие данные, чтобы больше узнать о своей игре и о том, как играть лучше. (Факт: он использовал это, чтобы улучшить свою собственную технику.)

Для создания полноразмерного игрового стола потребуется большая сетка из деревянных ТЭНов. Ван говорит, что это на его чертежной доске как проект на будущее.

«Для меня это первый шаг к использованию сбора энергии и сенсорного восприятия в спорте», - говорит Аскари. И это не обязательно должно заканчиваться настольным теннисом, добавляет он.

По его словам, деревянные датчики с автономным питанием могут быть полезны в таких видах спорта, как волейбол. «В волейболе официальные лица используют видеоконтроль, чтобы посмотреть на линии вокруг площадки, чтобы убедиться, что мяч находится внутри площадки», - отмечает он. Датчики, встроенные в эти линии, могли бы справиться с этой задачей. По его словам, данные датчиков могут быть отправлены судьям.

Аскари заключает: «Эта технология даст нам множество вариантов для будущих приложений».

Это одна из серии новостей о технологиях и инновациях, которая стала возможной благодаря щедрой поддержке Фонда Лемельсона.

Слова силы

угол : пространство (обычно измеряемое в градусах) между двумя пересекающимися линиями или поверхностями в точке их пересечения или рядом с ней.

balsa : деревья рода Ochroma , произрастающие в тропической Америке. Их древесина чрезвычайно легкая, легко режется и обладает плавучестью. Вот почему его часто используют для изготовления плотов, моделей самолетов и других проектов, для которых может потребоваться легкий вес и способность легко лепить детали.

аккумулятор : устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую.

поведение : то, как что-то, часто человек или другой организм, действует по отношению к другим или ведет себя.

химический : вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (связываются) в фиксированной пропорции и структуре. Например, вода - это химическое вещество, которое образуется, когда два атома водорода связываются с одним атомом кислорода. Его химическая формула - H 2 O. Химическое также может быть прилагательным для описания свойств материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

медь : металлический химический элемент из того же семейства, что и серебро и золото. Поскольку это хороший проводник электричества, он широко используется в электронных устройствах.

течение : жидкость, например вода или воздух, которая движется в узнаваемом направлении. (в электричестве) Поток электричества или количество заряда, проходящего через какой-либо материал за определенный период времени.

данные : факты и / или статистические данные, собранные вместе для анализа, но не обязательно организованные таким образом, чтобы они имели смысл. Для цифровой информации (тип, хранящийся в компьютерах), эти данные обычно представляют собой числа, хранящиеся в двоичном коде, представленные в виде цепочек нулей и единиц.

электричество : поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

электрон : отрицательно заряженная частица, обычно вращающаяся вокруг внешних областей атома; также носитель электричества в твердых телах.

инженер : человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.

Генератор : устройство, используемое для преобразования механической энергии в электрическую.

сетка : (в математике или картографировании) сеть линий, которые пересекаются друг с другом через равные промежутки времени, образуя прямоугольники или прямоугольники, или упорядоченное поле из точек, которые отмечают места пересечения или пересечения каждой пары линий.

лигнин : натуральное вещество, которое помогает укрепить клеточные стенки растений. Хотя лигнин состоит из большого количества молекул сахара, которые должны обеспечивать энергию, домашний скот не может переваривать этот материал из-за того, как сахара в нем химически связаны друг с другом.

Материаловедение : изучение того, как атомная и молекулярная структура материала связана с его общими свойствами. Материаловеды могут создавать новые материалы или анализировать существующие. Их анализ общих свойств материала (таких как плотность, прочность и температура плавления) может помочь инженерам и другим исследователям выбрать материалы, которые лучше всего подходят для нового применения.

Инженер-механик : лицо, прошедшее подготовку в области исследований, в которой физика используется для изучения движения и свойств материалов для проектирования, изготовления и / или тестирования устройств.

nano : префикс, обозначающий миллиардную. В метрической системе измерений он часто используется в качестве аббревиатуры для обозначения объектов длиной или диаметром в одну миллиардную метра.

Роман : Что-то умное, необычное и новое, чего еще не было.

частица : Незначительное количество чего-либо.

явление : что-то удивительное или необычное.

пластик : любой из легко деформируемых материалов; или синтетические материалы, которые были изготовлены из полимеров (длинных цепочек некоторых строительных блоков), которые имеют тенденцию быть легкими, недорогими и устойчивыми к разложению.

полимер : вещество, состоящее из длинных цепочек повторяющихся групп атомов. Промышленные полимеры включают нейлон, поливинилхлорид (более известный как ПВХ) и многие виды пластмасс. Природные полимеры включают каучук, шелк и целлюлозу (например, содержащиеся в растениях и используемые для изготовления бумаги).

прототип : первая или ранняя модель какого-либо устройства, системы или продукта, которые все еще нуждаются в доработке.

датчик : устройство, которое собирает информацию о физических или химических условиях, таких как температура, атмосферное давление, соленость, влажность, pH, интенсивность света или радиация, и хранит или передает эту информацию. Ученые и инженеры часто полагаются на датчики, чтобы сообщить им об условиях, которые могут изменяться с течением времени или которые существуют далеко от того места, где исследователь может их измерить напрямую.

статическое электричество : накопление избыточного электрического заряда на некоторой поверхности вместо протекания через материал. Это накопление заряда имеет тенденцию развиваться, когда две вещи, которые не являются хорошими проводниками электричества, трутся вместе. Это позволяет электронам от одного объекта собираться и собираться другим.

технология : применение научных знаний в практических целях, особенно в промышленности, или устройств, процессов и систем, являющихся результатом этих усилий.

прозрачный : позволяет свету проходить, так что объекты позади могут быть отчетливо видны.

трибоэлектрический : прилагательное для описания электрического заряда, который возникает, когда две вещи трутся друг о друга, вызывая трение.

уникальный : то, что не похоже ни на что другое; единственный в своем роде.

волна : возмущение или изменение, которое регулярно колеблется в пространстве и материи.