Energy harvesting for wearable applications

Energy harvesting, the process of collecting low level ambient energy and converting it into electrical energy, is a promising approach to power wearable devices. By converting the energy of the human body by using piezoelectric and thermoelectric principles, the need for batteries and charging can be avoided, and the autonomy of wearable devices can be significantly increased. Due to the inherent random nature of human motion, however, the energy harvesting devices need to be specifically designed in order to ensure their optimal operation and sufficient power generation. Using several combined approaches, a new class of autonomous devices, suitable for telemedicine, patient monitoring or IoT applications, can be developed

Kinetic Energy Harvesting for Wearable Medical Sensors

The process of collecting low-level kinetic energy, which is present in all moving systems, by using energy harvesting principles, is of particular interest in wearable technology, especially in ultra-low power devices for medical applications. In fact, the replacement of batteries with innovative piezoelectric energy harvesting devices can result in mass and size reduction, favoring the miniaturization of wearable devices, as well as drastically increasing their autonomy. The aim of this work is to assess the power requirements of wearable sensors for medical applications, and address the intrinsic problem of piezoelectric kinetic energy harvesting devices that can be used to power them; namely, the narrow area of optimal operation around the eigenfrequencies of a specific device. This is achieved by using complex numerical models comprising modal, harmonic and transient analyses. In order to overcome the random nature of excitations generated by human motion, novel excitation modalities are investigated with the goal of increasing the specific power outputs. A solution embracing an optimized harvester geometry and relying on an excitation mechanism suitable for wearable medical sensors is hence proposed. The electrical circuitry required for efficient energy management is considered as well.publishedVersionPeer reviewe

Energy harvesting technologies for structural health monitoring of airplane components - a review

With the aim of increasing the efficiency of maintenance and fuel usage in airplanes, structural health monitoring (SHM) of critical composite structures is increasingly expected and required. The optimized usage of this concept is subject of intensive work in the framework of the EU COST Action CA18203 "Optimising Design for Inspection" (ODIN). In this context, a thorough review of a broad range of energy harvesting (EH) technologies to be potentially used as power sources for the acoustic emission and guided wave propagation sensors of the considered SHM systems, as well as for the respective data elaboration and wireless communication modules, is provided in this work. EH devices based on the usage of kinetic energy, thermal gradients, solar radiation, airflow, and other viable energy sources, proposed so far in the literature, are thus described with a critical review of the respective specific power levels, of their potential placement on airplanes, as well as the consequently necessary power management architectures. The guidelines provided for the selection of the most appropriate EH and power management technologies create the preconditions to develop a new class of autonomous sensor nodes for the in-process, non-destructive SHM of airplane components.The work of S. Zelenika, P. Gljušcic, E. Kamenar and Ž. Vrcan is partly enabled by using the equipment funded via the EU European Regional Development Fund (ERDF) project no. RC.2.2.06-0001: “Research Infrastructure for Campus-based Laboratories at the University of Rijeka (RISK)” and partly supported by the University of Rijeka, Croatia, project uniri-tehnic-18-32 „Advanced mechatronics devices for smart technological solutions“. Z. Hadas, P. Tofel and O. Ševecek acknowledge the support provided via the Czech Science Foundation project GA19-17457S „Manufacturing and analysis of flexible piezoelectric layers for smart engineering”. J. Hlinka, F. Ksica and O. Rubes gratefully acknowledge the financial support provided by the ESIF, EU Operational Programme Research, Development and Education within the research project Center of Advanced Aerospace Technology (Reg. No.: CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000826) at the Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology. V. Pakrashi would like to acknowledge UCD Energy Institute, Marine and Renewable Energy Ireland (MaREI) centre Ireland, Strengthening Infrastructure Risk Assessment in the Atlantic Area (SIRMA) Grant No. EAPA\826/2018, EU INTERREG Atlantic Area and Aquaculture Operations with Reliable Flexible Shielding Technologies for Prevention of Infestation in Offshore and Coastal Areas (FLEXAQUA), MarTera Era-Net cofund PBA/BIO/18/02 projects. The work of J.P.B. Silva is partially supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) in the framework of the Strategic Funding UIDB/FIS/04650/2020. M. Mrlik gratefully acknowledges the support of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic-DKRVO (RP/CPS/2020/003

Characterization of optimized piezoelectric energy harvesters

Datasets related to numerical and experimental studies of optimized piezoelectric energy harvestersFE numerical modelling, experimental assessmen

Konstrukcija nosivoga uređaja minijaturiziranih dimenzija za prikupljanje i pretvorbu niskorazinske energije iz okoliša : doktorska disertacija

Energy harvesting (EH) is the process of collecting low-level ambient energy and converting it into electrical energy to be used for powering miniaturized autonomous devices, wearable electronics or Internet-of-Things components. The use of kinetic energy, converted into electrical energy via the piezoelectric principle, is of special interest in this frame. The main drawback of piezoelectric EH devices is the narrow area of optimal operation around the eigenfrequency of a specific device. The voltage levels achieved within this area are high, but they rapidly decrease with the variation of the excitation frequency. This is especially important in wearable applications, where the excitation frequency from human motion varies randomly. Based on a thorough analysis of the state-of-the-art in energy harvesting, with a particular focus on wearable applications, an innovative design approach, which comprises the segmentation of a conventional energy harvester into optimized segments, excited by plucking their free ends is proposed in this work. An original method of optimization is utilized here, combining the DoE methodology and a complex experimentally validated numerical model. Several novel miniaturized energy harvesters with optimized shapes are suggested, produced and experimentally tested, while keeping in consideration, in this frame, the generally neglected fatigue strength. The experimental results have shown a good match with the numerical data. The results show that a significant increase in performance, i.e., up to ~ 500%, can be achieved by using the herein proposed design approach, compared to a conventional device. What is more, the proposed optimized devices are capable of providing enough power for a compact wearable device aimed for biomedical application, requiring ~ 5 mW of power, also suggested in this work. An extensive DoE-based experimental study of plucking parameters is also carried out, providing a deeper insight into the complex mechanism of impact excitation, as well as valuable guidelines for plectrum design, using additive manufacturing. The concept of the design of a wearable watch-like device is also developed, capable of generating an estimated ~ 270 mW of maximum power as well as ~ 6.8 mW of average power. The performed research provides a significant scientific contribution to the field of kinetic EH by proposing an optimized solution to the aforementioned problem, based upon an original framework of application of state-of-the-art approaches. The results obtained on optimized design configurations are validated and verified by using numerical and experimental methods.Žetva energije” (engl. energy harvesting, EH) je proces prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša te njene pretvorbe u električnu energiju, s ciljem napajanja minijaturiziranih autonomnih uređaja, uređaja za nosive tehnologije te komponenti za „Internet stvari“. Nosive tehnologije pogonjene EH sustavima mogu se koristiti u telemedicini za praćenje stanja pacijenata, automatsko doziranje lijekova te za praćenje zdravstvenog stanja radnika zaposlenih na poslovima visokog rizika. U ovom pogledu, upotreba kinetičke energije, pretvorene u električnu pomoću piezoelektričnog učinka, od posebne je važnosti. Najveći nedostatak koji se pojavljuje kod primjene piezoelektričnih uređaja je njihovo usko područje optimalnog rada oko vlastite frekvencije specifičnog uređaja. Vrijednost napona, koju je moguće postići u tom području, je visoka, ali ona naglo opada već kod neznatne promjene uzbudne frekvencije. Ta je pojava posebno izražena kod primjene u nosivim tehnologijama, gdje uzbudna frekvencija, uzrokovana gibanjem čovjeka, nasumično varira. Kako bi se prevladao opisani problem, osmišljena je metoda konstruiranja piezoelektričnih pretvarača temeljena na detaljnoj analizi recentne literature, koja kombinira podjelu konzole u veći broj optimiziranih segmenta izloženih uzbudi trzanjem slobodnog kraja pomoću mehanizma pretvorbe frekvencije (engl. frequency up-conversion). Postupkom optimizacije kombinacijom metodologije dizajna eksperimenata (DoE) i korištenja složenih numeričkih modela i analiza, predložene su optimizirane geometrije piezoelektričnih uređaja prilagođene primjenama u nosivim tehnologijama, a posebno najčešće upotrebljavanim senzorima stanja ljudskog zdravlja, te koje pokazuju bolja radna svojstva od trenutno komercijalno dostupnih konstrukcija. Numerički modeli razvijenih konstrukcijskih oblika validirani su pomoću eksperimentalnih mjerenja provedenih na originalno razvijenim postavama te se dobiveni rezultati izuzetno dobro poklapaju s numeričkim podacima. U sklopu ispitivanja uzeta su u obzir ograničenja uzrokovana dinamičkom čvrstoćom materijala, što se u literaturi najčešće zanemaruje. Rezultati dobiveni eksperimentalnim ispitivanjem optimiziranih minijaturiziranih uređaja pokazali su kako je, koristeći metodu konstruiranja predloženu u sklopu ovoga rada, moguće postići višestruko povećanje izlazne snage, normalizirane po površini uređaja, i to i do ~ 500%. Uz to, pokazano je da su razvijeni uređaji u mogućnosti proizvesti dovoljno snage za pokretanje kompaktnog nosivog uređaja namijenjenog za primjenu u medicini (~ 5 mW). Opsežna eksperimentalna studija, temeljena na DoE metodologiji, provedena je i s ciljem analize parametara procesa trzanja slobodnog kraja konzole pomoću trzalice izrađene aditivnim tehnologijama te njihovog utjecaja na odziv pretvarača. Time je dobiven dublji uvid u složen mehanizam uzbude trzanjem, kao i važne smjernice za optimalno konstruiranje trzalica namijenjenih za izradu pomoću aditivnih tehnologija. Također je razvijeno i konceptualno rješenje nosivog uređaja u obliku sata, koji se sastoji od dva miniaturizirana optimizirana uređaja za prikupljanje kinetičke energije, podvrgnuta uzbudi trzanjem pomoću kompaktnog mehanizma za pretvorbu frekvencije. Najveća predviđena izlazna snaga takvog uređaja je ~ 270 mW, dok prosječna izlazna snaga iznosi ~ 6,8 mW, što premašuje potrebe predloženog medicinskog nosivog uređaja. Znanstveni doprinos ovog istraživanja ostvaren je kroz originalnu metodu konstruiranja piezoelektričnih uređaja za prikupljanje niskorazinske energije iz okoliša, koja rezultira višestrukim povećanjem (i do ~ 5 puta) izlazne snage kod optimiziranih uređaja. Metoda uzbude trzanjem slobodnog kraja u kombinaciji s optimizacijom segmenata omogućuje konkretizaciju minijaturiziranog piezoelektričnog EH sustava, prilagođenog za prikupljanje i pretvorbu energije nasumične kinematičke uzbude gibanja ljudi. Uključivanjem dinamičke čvrstoće materijala u postupak konstruiranja EH uređaja, osiguran je dugotrajan rad takvog sustava, izloženog dinamičkim uvjetima rada. Izlazna snaga tako konstruiranog EH sustava predstavlja realističnu vrijednost, koju je moguće očekivati kod njegove stvarne primjene kroz njegov cjelokupan vijek trajanja. Znanstvenim doprinosom području nosivih tehnologija i prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša danim u doktorskoj disertaciji stvoren je tako temelj za razvoj nove klase konstrukcijskih konfiguracija autonomnih nosivih uređaja pokretanih energijom gibanja ljudi sa širokom primjenom na području medicine i sporta ali i „industrije 4.0“, „interneta stvari“ (IoT) te praćenja stanja struktura u strojarskim i građevinskim konstrukcijama (engl. structural health monitoring)

Energy harvesting for wearable applications

Energy harvesting, the process of collecting low level ambient energy and converting it into electrical energy, is a promising approach to power wearable devices. By converting the energy of the human body by using piezoelectric and thermoelectric principles, the need for batteries and charging can be avoided, and the autonomy of wearable devices can be significantly increased. Due to the inherent random nature of human motion, however, the energy harvesting devices need to be specifically designed in order to ensure their optimal operation and sufficient power generation. Using several combined approaches, a new class of autonomous devices, suitable for telemedicine, patient monitoring or IoT applications, can be developed

Konstrukcija nosivoga uređaja minijaturiziranih dimenzija za prikupljanje i pretvorbu niskorazinske energije iz okoliša : doktorska disertacija

Energy harvesting (EH) is the process of collecting low-level ambient energy and converting it into electrical energy to be used for powering miniaturized autonomous devices, wearable electronics or Internet-of-Things components. The use of kinetic energy, converted into electrical energy via the piezoelectric principle, is of special interest in this frame. The main drawback of piezoelectric EH devices is the narrow area of optimal operation around the eigenfrequency of a specific device. The voltage levels achieved within this area are high, but they rapidly decrease with the variation of the excitation frequency. This is especially important in wearable applications, where the excitation frequency from human motion varies randomly. Based on a thorough analysis of the state-of-the-art in energy harvesting, with a particular focus on wearable applications, an innovative design approach, which comprises the segmentation of a conventional energy harvester into optimized segments, excited by plucking their free ends is proposed in this work. An original method of optimization is utilized here, combining the DoE methodology and a complex experimentally validated numerical model. Several novel miniaturized energy harvesters with optimized shapes are suggested, produced and experimentally tested, while keeping in consideration, in this frame, the generally neglected fatigue strength. The experimental results have shown a good match with the numerical data. The results show that a significant increase in performance, i.e., up to ~ 500%, can be achieved by using the herein proposed design approach, compared to a conventional device. What is more, the proposed optimized devices are capable of providing enough power for a compact wearable device aimed for biomedical application, requiring ~ 5 mW of power, also suggested in this work. An extensive DoE-based experimental study of plucking parameters is also carried out, providing a deeper insight into the complex mechanism of impact excitation, as well as valuable guidelines for plectrum design, using additive manufacturing. The concept of the design of a wearable watch-like device is also developed, capable of generating an estimated ~ 270 mW of maximum power as well as ~ 6.8 mW of average power. The performed research provides a significant scientific contribution to the field of kinetic EH by proposing an optimized solution to the aforementioned problem, based upon an original framework of application of state-of-the-art approaches. The results obtained on optimized design configurations are validated and verified by using numerical and experimental methods.Žetva energije” (engl. energy harvesting, EH) je proces prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša te njene pretvorbe u električnu energiju, s ciljem napajanja minijaturiziranih autonomnih uređaja, uređaja za nosive tehnologije te komponenti za „Internet stvari“. Nosive tehnologije pogonjene EH sustavima mogu se koristiti u telemedicini za praćenje stanja pacijenata, automatsko doziranje lijekova te za praćenje zdravstvenog stanja radnika zaposlenih na poslovima visokog rizika. U ovom pogledu, upotreba kinetičke energije, pretvorene u električnu pomoću piezoelektričnog učinka, od posebne je važnosti. Najveći nedostatak koji se pojavljuje kod primjene piezoelektričnih uređaja je njihovo usko područje optimalnog rada oko vlastite frekvencije specifičnog uređaja. Vrijednost napona, koju je moguće postići u tom području, je visoka, ali ona naglo opada već kod neznatne promjene uzbudne frekvencije. Ta je pojava posebno izražena kod primjene u nosivim tehnologijama, gdje uzbudna frekvencija, uzrokovana gibanjem čovjeka, nasumično varira. Kako bi se prevladao opisani problem, osmišljena je metoda konstruiranja piezoelektričnih pretvarača temeljena na detaljnoj analizi recentne literature, koja kombinira podjelu konzole u veći broj optimiziranih segmenta izloženih uzbudi trzanjem slobodnog kraja pomoću mehanizma pretvorbe frekvencije (engl. frequency up-conversion). Postupkom optimizacije kombinacijom metodologije dizajna eksperimenata (DoE) i korištenja složenih numeričkih modela i analiza, predložene su optimizirane geometrije piezoelektričnih uređaja prilagođene primjenama u nosivim tehnologijama, a posebno najčešće upotrebljavanim senzorima stanja ljudskog zdravlja, te koje pokazuju bolja radna svojstva od trenutno komercijalno dostupnih konstrukcija. Numerički modeli razvijenih konstrukcijskih oblika validirani su pomoću eksperimentalnih mjerenja provedenih na originalno razvijenim postavama te se dobiveni rezultati izuzetno dobro poklapaju s numeričkim podacima. U sklopu ispitivanja uzeta su u obzir ograničenja uzrokovana dinamičkom čvrstoćom materijala, što se u literaturi najčešće zanemaruje. Rezultati dobiveni eksperimentalnim ispitivanjem optimiziranih minijaturiziranih uređaja pokazali su kako je, koristeći metodu konstruiranja predloženu u sklopu ovoga rada, moguće postići višestruko povećanje izlazne snage, normalizirane po površini uređaja, i to i do ~ 500%. Uz to, pokazano je da su razvijeni uređaji u mogućnosti proizvesti dovoljno snage za pokretanje kompaktnog nosivog uređaja namijenjenog za primjenu u medicini (~ 5 mW). Opsežna eksperimentalna studija, temeljena na DoE metodologiji, provedena je i s ciljem analize parametara procesa trzanja slobodnog kraja konzole pomoću trzalice izrađene aditivnim tehnologijama te njihovog utjecaja na odziv pretvarača. Time je dobiven dublji uvid u složen mehanizam uzbude trzanjem, kao i važne smjernice za optimalno konstruiranje trzalica namijenjenih za izradu pomoću aditivnih tehnologija. Također je razvijeno i konceptualno rješenje nosivog uređaja u obliku sata, koji se sastoji od dva miniaturizirana optimizirana uređaja za prikupljanje kinetičke energije, podvrgnuta uzbudi trzanjem pomoću kompaktnog mehanizma za pretvorbu frekvencije. Najveća predviđena izlazna snaga takvog uređaja je ~ 270 mW, dok prosječna izlazna snaga iznosi ~ 6,8 mW, što premašuje potrebe predloženog medicinskog nosivog uređaja. Znanstveni doprinos ovog istraživanja ostvaren je kroz originalnu metodu konstruiranja piezoelektričnih uređaja za prikupljanje niskorazinske energije iz okoliša, koja rezultira višestrukim povećanjem (i do ~ 5 puta) izlazne snage kod optimiziranih uređaja. Metoda uzbude trzanjem slobodnog kraja u kombinaciji s optimizacijom segmenata omogućuje konkretizaciju minijaturiziranog piezoelektričnog EH sustava, prilagođenog za prikupljanje i pretvorbu energije nasumične kinematičke uzbude gibanja ljudi. Uključivanjem dinamičke čvrstoće materijala u postupak konstruiranja EH uređaja, osiguran je dugotrajan rad takvog sustava, izloženog dinamičkim uvjetima rada. Izlazna snaga tako konstruiranog EH sustava predstavlja realističnu vrijednost, koju je moguće očekivati kod njegove stvarne primjene kroz njegov cjelokupan vijek trajanja. Znanstvenim doprinosom području nosivih tehnologija i prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša danim u doktorskoj disertaciji stvoren je tako temelj za razvoj nove klase konstrukcijskih konfiguracija autonomnih nosivih uređaja pokretanih energijom gibanja ljudi sa širokom primjenom na području medicine i sporta ali i „industrije 4.0“, „interneta stvari“ (IoT) te praćenja stanja struktura u strojarskim i građevinskim konstrukcijama (engl. structural health monitoring)

PEH/FUC AM rotor experimental data

Experimental data for AM rotor used for plucking excitation of PEHsexperimental measuremen

PEH/FUC AM rotor experimental data

Experimental data for AM rotor used for plucking excitation of PEHsexperimental measuremen

Konstrukcija nosivoga uređaja minijaturiziranih dimenzija za prikupljanje i pretvorbu niskorazinske energije iz okoliša : doktorska disertacija

Energy harvesting (EH) is the process of collecting low-level ambient energy and converting it into electrical energy to be used for powering miniaturized autonomous devices, wearable electronics or Internet-of-Things components. The use of kinetic energy, converted into electrical energy via the piezoelectric principle, is of special interest in this frame. The main drawback of piezoelectric EH devices is the narrow area of optimal operation around the eigenfrequency of a specific device. The voltage levels achieved within this area are high, but they rapidly decrease with the variation of the excitation frequency. This is especially important in wearable applications, where the excitation frequency from human motion varies randomly. Based on a thorough analysis of the state-of-the-art in energy harvesting, with a particular focus on wearable applications, an innovative design approach, which comprises the segmentation of a conventional energy harvester into optimized segments, excited by plucking their free ends is proposed in this work. An original method of optimization is utilized here, combining the DoE methodology and a complex experimentally validated numerical model. Several novel miniaturized energy harvesters with optimized shapes are suggested, produced and experimentally tested, while keeping in consideration, in this frame, the generally neglected fatigue strength. The experimental results have shown a good match with the numerical data. The results show that a significant increase in performance, i.e., up to ~ 500%, can be achieved by using the herein proposed design approach, compared to a conventional device. What is more, the proposed optimized devices are capable of providing enough power for a compact wearable device aimed for biomedical application, requiring ~ 5 mW of power, also suggested in this work. An extensive DoE-based experimental study of plucking parameters is also carried out, providing a deeper insight into the complex mechanism of impact excitation, as well as valuable guidelines for plectrum design, using additive manufacturing. The concept of the design of a wearable watch-like device is also developed, capable of generating an estimated ~ 270 mW of maximum power as well as ~ 6.8 mW of average power. The performed research provides a significant scientific contribution to the field of kinetic EH by proposing an optimized solution to the aforementioned problem, based upon an original framework of application of state-of-the-art approaches. The results obtained on optimized design configurations are validated and verified by using numerical and experimental methods.Žetva energije” (engl. energy harvesting, EH) je proces prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša te njene pretvorbe u električnu energiju, s ciljem napajanja minijaturiziranih autonomnih uređaja, uređaja za nosive tehnologije te komponenti za „Internet stvari“. Nosive tehnologije pogonjene EH sustavima mogu se koristiti u telemedicini za praćenje stanja pacijenata, automatsko doziranje lijekova te za praćenje zdravstvenog stanja radnika zaposlenih na poslovima visokog rizika. U ovom pogledu, upotreba kinetičke energije, pretvorene u električnu pomoću piezoelektričnog učinka, od posebne je važnosti. Najveći nedostatak koji se pojavljuje kod primjene piezoelektričnih uređaja je njihovo usko područje optimalnog rada oko vlastite frekvencije specifičnog uređaja. Vrijednost napona, koju je moguće postići u tom području, je visoka, ali ona naglo opada već kod neznatne promjene uzbudne frekvencije. Ta je pojava posebno izražena kod primjene u nosivim tehnologijama, gdje uzbudna frekvencija, uzrokovana gibanjem čovjeka, nasumično varira. Kako bi se prevladao opisani problem, osmišljena je metoda konstruiranja piezoelektričnih pretvarača temeljena na detaljnoj analizi recentne literature, koja kombinira podjelu konzole u veći broj optimiziranih segmenta izloženih uzbudi trzanjem slobodnog kraja pomoću mehanizma pretvorbe frekvencije (engl. frequency up-conversion). Postupkom optimizacije kombinacijom metodologije dizajna eksperimenata (DoE) i korištenja složenih numeričkih modela i analiza, predložene su optimizirane geometrije piezoelektričnih uređaja prilagođene primjenama u nosivim tehnologijama, a posebno najčešće upotrebljavanim senzorima stanja ljudskog zdravlja, te koje pokazuju bolja radna svojstva od trenutno komercijalno dostupnih konstrukcija. Numerički modeli razvijenih konstrukcijskih oblika validirani su pomoću eksperimentalnih mjerenja provedenih na originalno razvijenim postavama te se dobiveni rezultati izuzetno dobro poklapaju s numeričkim podacima. U sklopu ispitivanja uzeta su u obzir ograničenja uzrokovana dinamičkom čvrstoćom materijala, što se u literaturi najčešće zanemaruje. Rezultati dobiveni eksperimentalnim ispitivanjem optimiziranih minijaturiziranih uređaja pokazali su kako je, koristeći metodu konstruiranja predloženu u sklopu ovoga rada, moguće postići višestruko povećanje izlazne snage, normalizirane po površini uređaja, i to i do ~ 500%. Uz to, pokazano je da su razvijeni uređaji u mogućnosti proizvesti dovoljno snage za pokretanje kompaktnog nosivog uređaja namijenjenog za primjenu u medicini (~ 5 mW). Opsežna eksperimentalna studija, temeljena na DoE metodologiji, provedena je i s ciljem analize parametara procesa trzanja slobodnog kraja konzole pomoću trzalice izrađene aditivnim tehnologijama te njihovog utjecaja na odziv pretvarača. Time je dobiven dublji uvid u složen mehanizam uzbude trzanjem, kao i važne smjernice za optimalno konstruiranje trzalica namijenjenih za izradu pomoću aditivnih tehnologija. Također je razvijeno i konceptualno rješenje nosivog uređaja u obliku sata, koji se sastoji od dva miniaturizirana optimizirana uređaja za prikupljanje kinetičke energije, podvrgnuta uzbudi trzanjem pomoću kompaktnog mehanizma za pretvorbu frekvencije. Najveća predviđena izlazna snaga takvog uređaja je ~ 270 mW, dok prosječna izlazna snaga iznosi ~ 6,8 mW, što premašuje potrebe predloženog medicinskog nosivog uređaja. Znanstveni doprinos ovog istraživanja ostvaren je kroz originalnu metodu konstruiranja piezoelektričnih uređaja za prikupljanje niskorazinske energije iz okoliša, koja rezultira višestrukim povećanjem (i do ~ 5 puta) izlazne snage kod optimiziranih uređaja. Metoda uzbude trzanjem slobodnog kraja u kombinaciji s optimizacijom segmenata omogućuje konkretizaciju minijaturiziranog piezoelektričnog EH sustava, prilagođenog za prikupljanje i pretvorbu energije nasumične kinematičke uzbude gibanja ljudi. Uključivanjem dinamičke čvrstoće materijala u postupak konstruiranja EH uređaja, osiguran je dugotrajan rad takvog sustava, izloženog dinamičkim uvjetima rada. Izlazna snaga tako konstruiranog EH sustava predstavlja realističnu vrijednost, koju je moguće očekivati kod njegove stvarne primjene kroz njegov cjelokupan vijek trajanja. Znanstvenim doprinosom području nosivih tehnologija i prikupljanja niskorazinske energije iz okoliša danim u doktorskoj disertaciji stvoren je tako temelj za razvoj nove klase konstrukcijskih konfiguracija autonomnih nosivih uređaja pokretanih energijom gibanja ljudi sa širokom primjenom na području medicine i sporta ali i „industrije 4.0“, „interneta stvari“ (IoT) te praćenja stanja struktura u strojarskim i građevinskim konstrukcijama (engl. structural health monitoring)