Sammansättbara termoelektriska Lego-block för omkonfigurerbara, självläkande och flexibla strömgeneratorer

Att omvandla spillvärme till användbar kraft

Varje dag försvinner enorma mängder värme från bilmotorer, industrirör och till och med våra egna kroppar rakt ut i luften. Termoelektriska generatorer kan omvandla den värmen direkt till elektricitet, men dagens enheter är stela, sköra och nästan omöjliga att laga när de spricker. Denna forskning introducerar en ny metod: små, Lego-liknande kraftblock som kan böjas, läka efter skador och monteras om till nya former, vilket öppnar dörren för strömkällor som både är tåligare och långt mer anpassningsbara än vad vi använder i dag.

Bygga kraft från små block

I stället för en stor, spröd modul designade teamet individuella "termoelektriska Lego-block." Varje block är en självinnehållande enhet som inkluderar ett fast termoelektriskt ben — den del som omvandlar värme till elektricitet — inklämt mellan mjuka, ledande kuddar gjorda av en specialpolymer fylld med silverflingor. Dessa kuddar fungerar som flexibla elektroder och kan återansluta till varandra när de pressas ihop. Genom att snappar ihop många sådana block i matriser kan forskarna skapa generatorer i olika storlekar och layouter, ungefär som att bygga med leksaksbitar.

Mjuka material som leder och självläker

För att göra blocken både flexibla och hållbara förlitade sig forskarna på ett silikonliknande basmaterial (liknande vanlig silikongummi) som konstruerats för att bilda reversibla bindningar så att det kan "läka" efter repor eller snitt. De blandade i små silverflingor så att varje mjuk kudde också leder elektricitet och värme. Tester visade att detta kompositmaterial behöll sin struktur och prestanda över många uppvärmnings- och nedkylningscykler upp till ungefär vardagliga arbetstemperaturer, och kunde bära betydande elektrisk ström samtidigt som det ledde värme bättre än den nakna polymeren. Avgörande var att när ytan repades återgick det elektriska motståndet nästan till det normala inom några minuter, och även efter att det blivit helt avskuret och sedan återfogat med lätt tryck och måttlig värme återhämtade det sin förmåga att leda ström nästan helt.

Utskrift av de hårt arbetande kärnorna

Hjärtat i varje block är ett termoelektriskt ben gjort av bismut–tellurid-baserade föreningar, länge använda i låga temperaturers termoelektriska tillämpningar. I stället för att bearbeta klumpiga bitar använde teamet en extruderingsbaserad 3D-utskriftsteknik för att deponera pastor av fint malda termoelektriska partiklar. Efter värmebehandling blev dessa utskrivna ben täta, kontinuerliga solider med prestanda som närmade sig konventionella massiva material, medan deras inre porositet bidrog till att hålla värmeflödet lågt — en fördel för strömproduktion. Mätningar av elektrisk ledningsförmåga, värmeledning och spänningsrespons vid temperaturdifferenser bekräftade att dessa små utskrivna element effektivt kunde skörda små temperaturskillnader kring rumstemperatur.

Enheter som böjer sig, töjs och går isär

När de väl monterats till enkla testgeneratorer utsattes Lego-blocken för krävande mekaniska prov. Enheterna kunde böjas till en snäv radie på cirka 3,4 millimeter och tänjas upp till 40 procent töjning samtidigt som deras elektriska motstånd och effektutbyte förblev nästan oförändrade. När elektroderna repades steg motståndet tillfälligt för att sedan återgå nära ursprungsvärdet när materialet läkte sig självt. Ännu mer anmärkningsvärt var att hela generatorer klipptes i separata block för att sedan sättas ihop igen: de återmonterade enheterna producerade nästan samma spänning och effekt som tidigare, med endast några procents avvikelse. Detta visade att en skadad generator kunde återställas utan att byta ut alla sina delar.

Återskapa kraftgeneratorer som leksaker

Genom att utnyttja den modulära designen dekonstruerade och återbyggde forskarna upprepade gånger samma uppsättning block till olika övergripande former. De gjorde generatorer med två, fyra och sex par block i enkla matriser och omarrangerade dem sedan till U-, V- och W-formade layouter som bättre kunde svepa runt kurvade eller komplexa ytor. I dessa konfigurationer, så länge den elektriska seriekopplingen bevarades, ökade den totala spänningen förutsägbart med antalet block och förblev likartad när geometrin ändrades. Det innebär att konstruktörer fritt kan omforma en generator för att passa ett rör, ett bärbart band eller en specialanordning utan att offra prestanda.

Mot anpassningsbara, reparerbara värmeupptagare

För att uttrycka det enkelt visar denna studie hur omvandling av termoelektriska moduler till Lego-liknande enheter kan lösa flera långvariga problem på en gång. Blocken är tillräckligt flexibla för att anpassa sig till kurvade ytor, tillräckligt tåliga för att böjas och tänjas, kapabla att läka efter snitt och repor och enkla att omkonfigurera till nya layouter när behoven förändras. Även om varje individuell generator för närvarande levererar måttlig effekt är metoden skalbar: fler block kan läggas till för högre uteffekt. Dessa självläkande, omkonfigurerbara byggstenar pekar mot en framtid där strömgeneratorer kan monteras, repareras och formas om vid behov istället för att kastas bort när de spricker eller inte längre passar sitt ursprungliga syfte.

Citering: Kim, K., Park, K., Song, J. et al. Assemblable thermoelectric Lego blocks for reconfigurable, self-healing, and flexible power generators. npj Flex Electron 10, 30 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00534-8

Nyckelord: termoelektrisk generator, flexibel elektronik, självläkande material, 3D-utskrift, energiuppsamling