Биоинтерфейс. Конформная наноэнергетика

БИОИНТЕРФЕЙС

КОНФОРМНАЯ 
НАНОЭНЕРГЕТИКА

С.Ю. ИЛЬИН
В.В. ЛУЧИНИН

МОНОГРАФИЯ

Москва
ИНФРА-М
2023

УДК 621.31(075.4)
ББК 31.2
 
И46

Ильин С.Ю.
И46  
Биоинтерфейс. Конформная наноэнергетика : монография / 
С.Ю. Ильин, В.В. Лучинин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 398 с. — 
(Научная мысль). — DOI 10.12737/2049717.

ISBN 978-5-16-018718-1 (print)
ISBN 978-5-16-111636-4 (online)
В монографии рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных IoP-устройств генерации 
и рекуперации электроэнергии (солнечные элементы, пьезонаногенераторы, трибонаногенераторы, термогенераторы, ректенны), конформных 
IoP-устройств хранения электроэнергии (литий-ионные аккумуляторы 
и суперконденсаторы), а также гибридных энергетических устройств на их 
основе. Представлены промышленно выпускаемые элементы и устройства, а также инновационные разработки. 
Предназначена для инженеров, научных работников и преподавателей, 
специализирующихся в области гибкой электроники и конформной наноэнергетики, а также для студентов соответствующих специализаций.

УДК 621.31(075.4)
ББК 31.2

ISBN 978-5-16-018718-1 (print)
ISBN 978-5-16-111636-4 (online)
© Ильин С.Ю., Лучинин В.В., 
2023

Данная книга доступна в цветном исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

В современном мире все более актуальны тенденции к сохранению
и генерации «человеческого капитала», повышению качества жизни.
Развитие этих тенденций невозможно вне рамок создания персонифицированной биотехносферы индивида, важнейшую роль в которой
играют биоинтерфейсы. Как отражение этих процессов сформировалось понятие «Интернет людей» (Internet of People – IoP). Оно отражает
виртуальную деятельность человека в инфокоммуникационном пространстве по управлению объектами окружающего мира с использованием биометрических данных и биофункциональных показателей для
обеспечения персонализированной среды жизнедеятельности.
Человек как объект Интернета людей обладает собственными
биологическими идентификационными признаками, ярко выраженными когнитивными функциями, развитой мультисенсорикой и автономным энергосбережением (см. таблицу).

Современные направления развития технологий Интернета людей

Направление
Целевая ориентация

Биометрическая
идентификация

Идентификация личности  
и позиционирование индивида

Биомедицинская сенсорика
Контроль физиологических параметров

Биокогнитивное управление
Трансдермальная лекарственная терапия  
и нефармакологическая коррекция состояния

Биокогнитивное управление
Нейробиокогнитивный информационный  
и сенсорно-моторный интерфейсы

Бионическое замещение
Биомиметика, искусственные органы,  
биотехноинтерфейсы

Биоинформационная  
коммуникабельность

Персонализированные сетевые информационные системы, кибербезопасность

Биоэнергообеспечение
Автономные биоэнергорекуперирующие системы

Особенности перехода от Интернета вещей IoP к Интернету людей нового поколения можно сформулировать следующим образом:
• биометрическая идентификация личности (биологический
адрес);
• контроль местоположения биообъекта и динамики его перемещения;
• анализ поведения и активности индивида;

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

• мониторинг биомедицинских параметров;
• активные фармакологическое и нефармакологическое воздействия на человека на основании удаленного анализа его биоданных;
• нейрокогнитивное управление интегрированными в одежду или 
размещаемыми на теле человека искусственными системами для мониторинга физиологического состояния, биомедицинской диагностики, неинвазивной и инвазивной терапии и биозамещения;
• дистанционное управление окружающими и удаленными объектами посредством киберфизического интерфейса, обеспечивающего преобразование и передачу регистрируемых данных индивида 
в виде движений и жестов, мыслей и эмоций;
• дистанционное формирование (без непосредственного участия 
человека) управляющих воздействий на окружающие объекты на основании виртуальных процедур анализа биоданных и мониторинга 
среды обитания.
Базовые направления Интернета людей определяются совокупностью следующих конструкторско-технологических решений:
• умная одежда – пассивный субстрат с размещенными функциональными сенсорными, процессорными, энергообеспечивающими и 
инфокоммуникационными модулями;
• интеллектуальный текстиль – активный гетерогенный субстрат, 
являющийся носителем интегрируемых функциональных свойств;
• искусственная электронная и фотонная кожа – эпидермальные 
и трансэпидермальные мультифункциональные гибридные сенсорнокорректирующие интерактивные платформы;
• биоинтегрируемые импланты – идентификаторы, стимуляторы, 
корректоры состояния, искусственные органы.
Совокупностью этих конструкторско-технологических решений 
определяются предметные индустриальные направления конформной1 наноэлектроники для Интернета людей, среди которых следует 
особо выделить следующие:
• мультифункциональные сенсорно-исполнительные компоненты, интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека 
для биомониторинга и коррекции состояния организма;
• микроаналитические диагностические системы типа «лаборатории-на-чипе» для биомедицинского экспресс-контроля;

1 Конформность – приспосабливаемость к окружающим условиям и объектам.

4

• сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, конформно интегрируемые в одежду или размещаемые на теле
человека для его быстрой идентификации, высокоточного позиционирования и передачи информации через персонифицированные носимые электронные средства или сторонние локальные терминалы;
• биосенсорные модули (в том числе – камуфлируемые) для расширения функциональных возможностей человека, компенсации
утраченных функций и когнитивного управления;
• исполнительные миниатюрные конформно интегрируемые модули для бионических систем органозамещения.
Сказанное выше определило тот факт, что в трилогии под общим
названием «Биоинтерфейс – взгляд в будущее» рассматривается широкий круг инновационных устройств конформной наноэлектроники,
которые могут эффективно использоваться в разнообразных системах
Интернета людей.
Книги, составляющие трилогию, написаны авторами в период
2016–2021 гг. Они задумывались как самостоятельные издания, рассматривающие современное состояние, а также перспективы развития
и применения решений и устройств из отдельных областей конформной наноэлектроники. В указанный период времени были выпущены
пилотные экземпляры каждой книги. Сформировавшееся к настоящему времени понимание природы и сущности биоинтерфейса позволило авторам объединить отдельно взятые книги в трилогию.
В первой книге – «Биоинтерфейс. Конформная наноэнергетика» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития
и инновационные решения конформных устройств генерации электроэнергии (солнечные элементы, пьезонаногенераторы, трибонаногенераторы, термогенераторы, ректенны) и конформных устройств
хранения электроэнергии (литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы), а также гибридных энергетических устройств на их основе, которые можно использовать как элементы имплантируемых,
эпидермальных или носимых IoP-систем.
Во второй книге – «Биоинтерфейс. Конформная наносенсорика»  – рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных физических наносенсоров биопараметров (сенсоры давления, сенсоры деформации,
сенсоры температуры, сенсоры влажности), а также мультисенсорных

5

платформ на их основе, которые можно использовать как элементы
имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем.
В третьей книге – «Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы» –
рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных биометрических и тактильных
IoP-интерфейсов, которые можно использовать как элементы имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем.
Каждая книга в отдельности и трилогия в целом иллюстрируют тот факт, что носимые, эпидермальные и имплантируемые IoPсистемы конформной наноэлектроники составляют базис биоинтерфейса, определяющий качество жизни человека и, безусловно,
неисчерпаемый рынок наукоемкой высокоинтеллектуальной и креативной продукции.

6

ВВЕДЕНИЕ

Современные тренды технологического развития основаны во 
многом на понимании того факта, что одной из ключевых проблем 
создания биоинтерфейсов является обеспечение безопасности, комфорта и экономической эффективности индивида на всех уровнях его 
жизнедеятельности. Стремительная интеллектуализация технических 
систем сложной архитектуры (и IoP-систем в том числе) [1]–[5] и многократное увеличение количества их компонентов невозможны без 
адекватных энергетических решений.
Развитие альтернативной энергетики интеллектуальной среды 
уже сегодня включает в себя наноэнергетические устройства, преобразующие различные воздействия окружающей среды (рисунок).
Еще совсем недавно ведущая роль в развитии гибкой гибридной 
наноэнергетики отводилась фотовольтаике [6], [7], однако в 2006 г. уже 
был представлен первый пьезонаногенератор [8], а в 2012 г. – первый 
трибонаногенератор [9], представляющие собой конформные энергетические устройства, гораздо более адекватные запросам IoP-систем. 
Термин «наногенераторы» устоялся в современной научной литературе наряду с более традиционным термином «электрогенераторы» 
и подчеркивает тот факт, что речь идет о конформных устройствах, 
основанных на наноструктурных решениях. Хорошо известные пьезоэлектрический и трибоэлектрический эффекты, лежащие в основе 
соответствующих устройств, на наноструктурном уровне позволяют 
преобразовывать механические и акустические воздействия, исходящие не только от внешних источников, но и от самого человека.
Термогенераторам, непосредственно преобразующим тепловую 
энергию в электрическую на основе эффекта Зеебека [10], переход на 
наноструктурный уровень открывает возможность использовать тепловое излучение не только от объектов окружающей среды, но и от 
человеческого тела [11].
Современная среда обитания (особенно – среда мегаполисов) 
насыщена ВЧ-излучениями промышленного и бытового происхождения. Именно поэтому один из современных энергетических трендов – их рекуперация и преобразование – представлен такими конформными устройствами как ректенны [12]. 
Особенности функционирования и сопоставимость достигнутых характеристик конформных наногенераторов обеспечивают 

7

Устройства конформной наноэнергетики

8

синергетический эффект гибридным энергетическим устройствам на 
их основе.
Эффективное использование конформных наногенераторов требует адекватных устройств накопления и хранения электроэнергии, 
среди которых сегодня лидируют литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы [13].
Исходя из сказанного, целевой ориентацией данной книги являлся обзор современного состояния и перспектив развития конформной наноэнергетики, включая широкий спектр инновационных 
наноустройств и миниатюрных распределенных систем на их основе, 
которые в составе одежды, на теле и/или внутри тела человека энергообеспечивают его жизнедеятельность и интеграцию в IoP-среду.
В первых пяти главах книги рассмотрены конформные наноустройства генерации и рекуперации электроэнергии – солнечные 
элементы, пьезонаногенераторы, трибонаногенераторы, термогенераторы и ректенны. В двух заключительных главах рассмотрены конформные устройства накопления и хранения электроэнергии – литийионные аккумуляторы и суперконденсаторы. 

9

1. ГИБКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Стационарные солнечные элементы в настоящее время активно 
используются в масштабных проектах альтернативной энергетики. 
Гибкие и прозрачные решения, а также гибридные энергетические 
устройства на их основе востребованы при создании современной интеллектуальной среды. Это, в первую очередь, BIPV-фотовольтаические 
устройства, а также энергонезависимые устройства мобильной электроники и IoT-среды.
Значимость развития гибкой солнечной фотоники подтверждается многими национальными и международными проектами. Проект 
«SiSoFlex» [15] по созданию тонкопленочных Si-элементов на гибких 
металлических подложках финансировался Министерством образования и научных исследований Германии. Одна из его основных задач 
заключалась в разработке промышленно-ориентированных технологий высокоэффективных (η > 11 %) гибких Si-элементов. Продолжением проекта «SiSoFlex», который завершился в 2014 г., стал проект 
«ProKoSi» [16] при поддержке Министерства экономики и технологий 
Германии, рассчитанный на 2 года. Основной его задачей была оптимизация процессов формирования тонкопленочных структур высокоэффективных гибких солнечных элементов на основе a-Si/μc-Si на 
полимерных подложках.
Двухлетний проект «R2R-CIGS» [17], стартовавший в 2014 г., был 
направлен на создание солнечных CIGS-элементов посредством R2Rтехнологий. Бюджет проекта составляет 9,6 млн евро, цель – обеспечение себестоимости элемента на уровне 0,5 евро/Вт при ежегодном 
промышленном производстве устройств совокупной мощностью не 
менее 500 МВт. Инновационные разработки материалов и технологий 
направлены на создание высокоэффективных (η > 20 %) гибких CIGSэлементов на полимерной подложке.
Результатом недавно закончившегося проекта развития OSC 
«FabriGen» [18] стал не только действующий прототип (более 6 м в 
длину и площадью ~16 м2), но и коммерчески перспективные материалы и R2R-технологии их серийного производства.
Проект «HIFLEX» [19], реализуемый в рамках 7-й Европейской 
программы исследований и технологического развития, также направлен на создание экономически эффективных гибких OSC посредством 
R2R-технологий. Основные критерии – эффективность при любой 

10