Améliorer les collecteurs d'énergie acoustique nanofibreux grâce à l'IA

Les scientifiques de l'Institut Terasaki pour l'innovation biomédicale (TIBI) ont utilisé des techniques d'intelligence artificielle pour améliorer la conception et la production de nanofibres utilisées dans les collecteurs d'énergie acoustique portables à nanofibres (NAEH). Ces appareils acoustiques capturent l’énergie sonore de l’environnement et la convertissent en énergie électrique, qui peut ensuite être utilisée dans des appareils utiles, tels que des appareils auditifs.

L'étude est publiée dans la revue Recherche sur les nanotechnologies.

De nombreux efforts ont été déployés pour capter les sources d’énergie naturelles et abondantes de notre environnement. Des progrès relativement récents tels que les panneaux solaires et les éoliennes nous permettent de récupérer efficacement l’énergie du soleil et du vent, de la convertir en énergie électrique et de la stocker pour diverses applications. De même, les conversions d’énergie acoustique peuvent être observées dans des appareils amplificateurs tels que des microphones, ainsi que dans des appareils électroniques portables et flexibles destinés aux soins de santé personnalisés.

Actuellement, l’utilisation de nanogénérateurs piézoélectriques – des dispositifs qui convertissent les vibrations mécaniques, les contraintes ou les déformations en énergie électrique – comme collecteurs d’énergie acoustique suscite beaucoup d’intérêt. Ces nanogénérateurs peuvent convertir l’énergie mécanique des ondes sonores pour produire de l’électricité ; cependant, cette conversion des ondes sonores est inefficace, car elle se produit principalement dans la gamme sonore des hautes fréquences, et la plupart des ondes sonores environnementales se situent dans la gamme des basses fréquences. De plus, le choix des matériaux optimaux, de la conception structurelle et des paramètres de fabrication rend la production de nanogénérateurs piézoélectriques difficile.

Comme décrit dans leur article, l'approche des scientifiques de TIBI face à ces défis était double : premièrement, ils ont choisi leurs matériaux de manière stratégique et ont choisi de fabriquer des nanofibres à l'aide de fluorure de polyvinyle (PVDF), connus pour leur capacité à capter efficacement l'énergie acoustique. Lors de la fabrication du mélange de nanofibres, du polyuréthane (PU) a été ajouté à la solution de PVDF pour conférer de la flexibilité, et l'électrofilage (une technique de génération de fibres ultrafines) a été utilisé pour produire les nanofibres composites PVDF/PU.

Deuxièmement, l’équipe a appliqué des techniques d’intelligence artificielle (IA) pour déterminer les meilleurs paramètres de fabrication impliqués dans l’électrofilage des nanofibres PVDF/polyuréthane ; ces paramètres comprenaient la tension appliquée, le temps d'électrofilage et la vitesse de rotation du tambour. L’utilisation de ces techniques a permis à l’équipe d’ajuster les valeurs des paramètres pour obtenir une production d’énergie maximale à partir de leurs nanofibres PVDF/PU.

Pour fabriquer leur collecteur d'énergie nanoacoustique, les scientifiques de TIBI ont transformé leurs nanofibres PVDF/PU en un tapis nanofibreux et l'ont pris en sandwich entre des couches de maille d'aluminium qui faisaient office d'électrodes. L'ensemble était ensuite entouré de deux cadres flexibles.

Lors de tests réalisés avec des NAEH fabriqués de manière conventionnelle, les NAEH PVDF/PU générés par l'IA se sont révélés avoir de meilleures performances globales, produisant un niveau de densité de puissance plus de 2,5 fois supérieur et une efficacité de conversion d'énergie significativement plus élevée (66 % contre 42 %).

De plus, les NAEH PVDF/PU générés par l’IA ont pu obtenir ces résultats lorsqu’ils ont été testés avec une large gamme de sons basse fréquence, bien dans les niveaux trouvés dans le bruit de fond ambiant. Cela permet une excellente reconnaissance sonore et la capacité de distinguer les mots avec une haute résolution.

« Les modèles utilisant l'optimisation de l'intelligence artificielle, comme celui décrit ici, minimisent le temps consacré aux essais et aux erreurs et maximisent l'efficacité du produit fini », a déclaré Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur et PDG de TIBI. “Cela peut avoir des effets considérables sur la fabrication de dispositifs médicaux présentant une praticabilité significative.”

Les auteurs de l'étude sont Negar Hosseinzadeh Kouchehbaghi, Maryam Yousefzadeh, Aliakbar Gharehaghaji, Safoora Khosravi, Danial Khorsandi, Reihaneh Haghniaz, Ke Cao, Mehmet R. Dokmeci, Mohammad Rostami, Ali Khademhosseini et Yangzhi Zhu.