هل يمكننا قريبًا تشغيل أجهزتنا الإلكترونية بمجمعات طاقة قابلة للارتداء؟

جعل الأجهزة الإلكترونية مرنة

مع الهواتف الذكية، اعتدنا على حمل الإلكترونيات معنا طوال الوقت. ومع ذلك، لا يزال ذلك يتم باستخدام كتلة ضخمة من المعدن والبلاستيك، والتي، إذا كان هناك شيء، فإنها تصبح أكبر وأثقل كل عام.

الخطوة التالية ستكون دمج الأجهزة الإلكترونية في ملابسنا بشكل أكثر سلاسة. وقد بدأ ذلك بالفعل مع الإلكترونيات القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية والأجهزة القابلة للارتداء الأخرى التي تركز على الصحة.

خطوة أخرى إلى الأمام ستكون دمج الإلكترونيات مباشرة في ملابسنا. ولكن لهذا، يجب أن تكون مرنة وخفيفة الوزن جدًا. لقد تم تحقيق تقدم ملموس في هذا الاتجاه:

• شاشات قابلة للانحناء تُدمج الآن بشكل روتيني في الهواتف الذكية الفاخرة من قبل سامسونج وهواوي.
• بطاريات قابلة للانحناء والتمدد مصنوعة من البوليمرات.
• يمكن أيضًا ثني المعالجات الدقيقة.

إذاً، إذا كانت الشاشات والبطاريات وحتى المعالجات الآن مرنة وقابلة للانحناء، ما الذي لا يزال يمنعنا من الحصول على أجهزة قابلة للارتداء مدمجة في ملابسنا؟ لا يزال تزويدها بالطاقة عائقًا جديًا.

لكن هذا قد يتغير، بفضل اكتشاف قام به باحثون كوريون في معهد دايغو غيونغبوك للعلوم والتكنولوجيا (DGIST)، جامعة هانام، جامعة يونسي، معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST)، معهد كوريا للتقنية الصناعية (KITECH) والجامعة الوطنية جيونبوك.

طوروا جامع طاقة قابل للارتداء يكون أكثر كفاءة بـ 280 مرة مقارنة بالأجهزة التقليدية، باستخدام نوع جديد من جامعات الطاقة الكهروضغطية.

نُشر ذلك في مجلة ACS Nano، تحت عنوان “تصميم قطب ربط محدد بالانحناء لمولد نانوي كهرضغط غير عضوي ثلاثي الأبعاد قابل للتمدد¹”.

الأجهزة الكهروثابتة والكهروضغطية

جامعات الطاقة هي أنظمة تنتج الطاقة من الحركات. هناك نوعان رئيسيان، بناءً على ما إذا كانت تعمل بتأثير الكهروثابت أو التأثير الكهروضغطي.

المولدات الكهروثابتة هي ما يُطلق عليه عادةً الكهروستاتيكي، أو ما يحدث عندما يلامس جسمان بعضهما أو ينزلقان ضد بعضهما. يمكن أن تولد بعض الكهرباء لكنها غالبًا ما تكون ضعيفة جدًا لتشغيل الإلكترونيات.

الكهروضغطي هو تأثير توليد الكهرباء استجابةً للإجهاد الميكانيكي مثل الانحناء أو الضغط، إلخ. حتى الآن، تم تصنيع معظم جامعات الطاقة الكهروضغطية باستخدام مواد كهضغطية عضوية أو مركبة، والتي تتميز بكفاءة طاقة منخفضة.

كان فريق البروفيسور جانغ يستخدم نوعًا آخر من المواد: زركونيت التيتانيوم الرصاصي (PZT).

المصدر: DGIST

مولد PZT الكهروضغطي

من المعروف منذ زمن طويل أن PZT يتمتع بأداء كهضغط ممتاز، لكنه صلب وهش أيضًا. لذلك، فإن استخدامه في الأجهزة القابلة للتمدد والاعتماد على الحركة لتوليد الطاقة كان من غير المحتمل أن ينتج مولدًا متينًا للأجهزة القابلة للارتداء.

لذلك، بحث الباحثون عن طريقة لتصميم هيكل ثلاثي الأبعاد قائم على PZT يكون غير حساس للتشوه ويضمن القابلية للتمدد مع الحفاظ على القدرة الكهضغطية.

كانت الخطوة الأولى هي إنشاء قطب منحني ذو شكل محدب ينتج الطاقة عند التمدد.

المصدر: ACS Nano

ثم قاموا بتجميع سلاسل من هذه الأقطاب معًا، مشابهًا لشبكة القماش أو سلة الخوص.

المصدر: ACS Nano

إزالة المشكلات

نظرًا لأن الأقطاب متشابكة، يمكن أن تلغي بعضها البعض بسهولة. لتجنب ذلك، تم تقسيم الأقطاب إلى مناطق محدبة ومقعرة وفقًا لاتجاه الجهد الناتج المتولد.

يمكن توليد التيار بأي حركة للجسم، كما اختبره الباحثون على الركبة أو اليد أو حتى الأصابع.

المصدر: ACS Nano

أنتج ذلك مولدًا كهضغطًا فعالًا جدًا، يظهر كلًا من القابلية القصوى للتمدد وأعلى كثافة للتيار لأي جهاز من هذا النوع.

المصدر: ACS Nano

“تطوير هذه التقنية ذات الكفاءة العالية للجامعات الكهضغطية القابلة للتمدد هو إنجاز كبير لهذا البحث. نتوقع أن تصبح هذه التقنية مفيدة بعد التسويق التجاري وتؤدي إلى الاستخدام العملي لجامعات الطاقة القابلة للارتداء.”
د. كيونغ-إن جانغ – قسم الروبوتات والهندسة الميكاترونية، DGIST

التطبيقات

الأجهزة القابلة للارتداء

أكثر تطبيق مباشر سيكون تزويد الإلكترونيات المدمجة في الملابس بالطاقة عندما نتحرك، مثل أثناء المشي.

يمكن أن يكون ذلك مفيدًا للأجهزة القابلة للارتداء، خاصةً أجهزة مراقبة الصحة التي لن تعتمد بعد ذلك على شحن البطاريات بشكل منتظم.

زرعات طبية

يمكن لنوع معين من الزرعات الاستفادة كثيرًا من هذا النوع من المولد: زرعات القلب.

القلب يتحرك وينقبض باستمرار، مما يمكن أن يوفر مصدر طاقة ثابت لمثل هذه الزرعات الطبية.

اختبر الباحثون الفكرة عن طريق تغليف المولد في فيلم بولي إيميد. كان ذلك ضروريًا لعزل PZT بفعالية عن السوائل الحيوية والأنسجة، حيث يمكن أن يكون PZT سامًا.

المصدر: ACS Nano

العسكرية

تطبيق آخر قد يكون في المجال العسكري، حيث يعتمد المشاة بشكل متزايد على المستشعرات المستهلكة للطاقة، والاتصالات، والحرب الإلكترونية، إلخ.

ومن غير العملي أن يُتوقع من الوحدات القتالية التعامل مع تشابك من الأسلاك والبطاريات. وفي الوقت نفسه، عليهم بالفعل التعامل مع أسلحتهم، والذخيرة، وحلول الاتصالات، إلخ. يمكن أن يكون المولد الكهضغطى المتصل مباشرة بالإلكترونيات المرنة في زي الجندي بديلاً جيدًا.

الاستثمار في الأجهزة القابلة للارتداء

من المتوقع أن تنمو تقنية الأجهزة القابلة للارتداء بمعدل 14.6٪ CAGR حتى عام 2030، من 61.2 مليار دولار في 2022.

المصدر: Grand View Research

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالأجهزة القابلة للارتداء عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة في البورصة مثل iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) أو SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE)، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية.

يمكنك أيضًا الاطلاع على مقالتنا “أفضل 6 أسهم في الأجهزة الطبية“.

شركة الأجهزة القابلة للارتداء

بناء الأجهزة القابلة للارتداء

إحدى طرق بناء الإلكترونيات المرنة هي باستخدام البوليمرات. وطريقة أخرى هي استخدام معدن مرن وغير سام جدًا، وهو الغاليوم، الذي ناقشنا فيه في تقرير استثماري مخصص.

يمكن للطاقة الشمسية، بالإضافة إلى التأثير الكهضغطى، أيضًا شحن الأجهزة القابلة للارتداء المرنة. يمكن تحقيق ذلك إما باستخدام خلايا شمسية بيروفسكايت أو تقنية الخلايا الفوتوفولطية العضوية فائقة الرقة.

كونينكليكي فيليبس ن.ف.

فيليبس هي علامة تجارية معروفة للمستهلكين في مجال الإلكترونيات الصغيرة (ماكينات الحلاقة، فرش الأسنان الكهربائية)، وتشارك بنشاط في مجال الرعاية الصحية. كانت الأولى في تقديم براءات الاختراع في مجال التكنولوجيا الطبية في أوروبا لعام 2022.

تشارك في منتجات طبية متصلة، من الأجهزة القابلة للارتداء إلى التصوير، وأجهزة التنفس، أو الروبوتات الطبية. كما تنشط الشركة في مجال أشباه الموصلات (بما في ذلك تقنية المغناطيسية العائمة) والتقنية المتقدمة/الروبوتات/الأتمتة.

المصدر: Philips

توفر أجهزة فيليبس القابلة للارتداء تغطية مقاييس القلب، والتنفس، والنشاط. يمكن دمج حسّاتها في الساعات الذكية، وأجهزة مراقبة الصحة، واللصقات الطبية، وأجهزة تتبع النشاط.

فيما يتعلق بالأجهزة القابلة للارتداء، تفضل فيليبس حل الشراكة، حيث تطور للجهات الثالثة “أجهزتهم” الطبية المتصلة بإنترنت الأشياء (IoT) المتوافقة بالكامل مع باقي حلول فيليبس. وفي هذا السياق، تقدم لعملائها النمذجة الأولية، والاستشارات التنظيمية، وتطوير المنتج من البداية إلى النهاية، والإنتاج على نطاق صناعي.

يجعل ذلك فيليبس شركة تركز على التكنولوجيا ومرشحًا محتملًا لتكامل الابتكارات مثل المولدات الكهضغطية المرنة بسرعة في الأجهزة الطبية الحالية.

في عام 2023، أثرت أجهزة فيليبس مباشرة على 1.82 مليار شخص.

تسعى الشركة إلى إنشاء بيئة رعاية صحية رقمية متكاملة بالكامل، حيث تتطابق الحساسات مع الأجهزة، ثم تستخدم حلول اتصال متعددة للدمج في حل Philips HealthSuite Cloud وتمكين التحليل المتعمق للبيانات.

المصدر: Philips

كموفر في صناعة التكنولوجيا الطبية، لا تُظهر فيليبس نفس مستوى الظهور في القطاع كما تفعل الشركات الأكثر بروزًا. ومع ذلك، فهي خبيرة في بناء أجهزة إلكترونية وحساسات عالية الأداء، وغالبًا ما تدفع حدود ما هو ممكن في مجالها المتخصص في الرعاية الصحية والأجهزة القابلة للارتداء.

مع تزايد دمج الأجهزة القابلة للارتداء في الرعاية الصحية والبروتوكولات الطبية، من المرجح أن ينمو قطاع الرعاية الصحية في فيليبس كجزء من المجموعة.

مرجع الدراسة:

^{1. Yea, J., Ha, J., Lim, K. S., Lee, H., Oh, S., Jekal, J., Yu, T. S., Jung, H. H., Park, J.-U., Lee, T., Jeong, J.-W., Kim, H. J., Keum, H., Lee, Y. K., & Jang, K.-I. (2024). تصميم قطب ربط محدد بالانحناء لمولد نانوي كهرضغط غير عضوي ثلاثي الأبعاد قابل للتمدد. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}