الطاقة
مستخلصات الطاقة اللمسية تجعلك تصبح بنك بطاريتك الخاص
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
ربما سمعت مصطلحات الطاقة اللمسية أو رد الفعل اللمسي. تم استخدام المصطلح بشكل متكرر في هذه الأوقات من التكنولوجيا القابلة للارتداء. في عام 2024، كمية هائلة من 534 مليون وحدة قابلة للارتداء تم شحنها عالميًا.
شملت هذه الوحدات مجموعة واسعة من عناصر الأجهزة الإلكترونية مثل الساعات الذكية، متتبعات اللياقة، سماعات الرأس، أجهزة الواقع الممتد، أي سماعات الواقع الافتراضي ونظارات الواقع المعزز. مع ظهور الإلكترونيات القابلة للارتداء، ظهر نموذج جديد للطاقة اللمسية.
على مدار الأربعة عقود الماضية، كانت طريقة التواصل الرئيسية في الإلكترونيات هي التغذية الراجعة السمعية أو البصرية، حيث كانت لغة التواصل الأساسية هي الصوت والضوء. لكن اليوم، أصبحت التغذية الراجعة اللمسية طريقة أخرى لتواصل الإلكترونيات مع البشر، باستخدام حاسة اللمس.
الهواتف الذكية، الساعات الذكية، متتبعات اللياقة – جميع هذه الأنظمة المحمولة التي تعمل بالبطارية يمكن أن تستخدم اللمس. كاستخدام، لها مكانها الراسخ في التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والسيارات، مثل الهواتف الذكية، الأجهزة اللوحية، الفأرات، آلات الصراف الآلي، وأنظمة الترفيه في السيارات.
الآن، نجح فريق من الباحثين في تطبيق الطاقة اللمسية على الأجهزة القابلة للارتداء¹. أثناء حديثه عن هدف بحثهم وأهمية ما يمكن أن يحققه، قال سعد خان، المؤلف المشارك ورئيس أستاذ الهندسة الكيميائية والبيومولكولية في جامعة ولاية نورث كارولينا، ما يلي:
«بدأنا بعد ذلك سلسلة من التجارب لاستكشاف ما إذا كنا نستطيع استخدام الأمفيفيليات لتعديل المواد ودمجها في مستخلصات الطاقة اللمسية.»
للتعرف أكثر على البحث وإنجازاته، سنغوص أعمق في الفقرة التالية.
ضغط الأمفيفيليات المجمعة على سطح زلق لمستخلصات الطاقة اللمسية القابلة للتعديل
المصدر: جامعة ولاية نورث كارولينا
أدرك الباحثون أن التحدي المتكرر في استخراج الطاقة من الحركة المحيطة هو أن الأجهزة يجب أن تحافظ على كفاءة جمع عالية وتجربة مستخدم إيجابية عندما يمر واجهتها بضغط ديناميكي. أظهر الباحثون أن الأمفيفيليات الصغيرة يمكن استخدامها لضبط الاحتكاك واللمس والخصائص الكهروضوئية عن طريق تجميعها في تشكيلات محددة على سطح المواد. الأمفيفيليات هي جزيئات تُستخدم غالبًا في المنتجات الاستهلاكية لتقليل الاحتكاك مع بشرة الإنسان. على سبيل المثال، تُدمج هذه الجزيئات غالبًا في الحفاضات لمنع الاحتكاك.
أثناء حديثها عن السعي والدوافع التي قادتها، قالت ليليان هسياو، المؤلفة المراسلة لورقة البحث وأستاذة مشاركة في الهندسة الكيميائية والبيومولكولية في جامعة ولاية نورث كارولينا، ما يلي:
«نهدف إلى تطوير نموذج يمنحنا فهمًا أساسيًا مفصلاً لكيفية تأثير الأمفيفيليات المختلفة على احتكاك سطح المواد المختلفة.»
رأى الباحثون أن الجزيئات التي تشكل عدة مستويات انزلاق تحت الضغط، خاصةً عبر تراكب π-π، تنتج احتكاكًا أقل بنسبة 80 إلى 90٪ مقارنةً بتلك التي تشكل بنية مسامية غير مرتبة. نتيجةً لذلك، اقترح الباحثون إطارًا قياسيًا لخصائص تقليل الاحتكاك يأخذ في الاعتبار الالتصاق وميكانيكا الاتصال.
في تحقيق هدفهم، أدرك الباحثون أن الأسطح المغطاة بالأمفيفيليات تميل إلى مقاومة التآكل وتوليد إحساس لمسي مميز، حيث يفضل البشر المواد الأكثر انزلاقًا. على مستوى آخر، يمكن للباحثين أيضًا تعزيز الناتج الكهروضوئي باستخدام أمفيفيليات ذات ألفة إلكترونية عالية.
بشكل عام، تمثل الجزيئات القادرة على تنظيم نفسها إلى مستويات انزلاقية تحت الضغط طريقة سهلة لتطوير مستخلصات الطاقة اللمسية على نطاق واسع. لتوضيح ذلك بصورة عملية، وجد الباحثون أنه من الممكن استخدام الأمفيفيليات لإنشاء أقمشة قابلة للارتداء ذات أسطح زلقة تشعر بالراحة على بشرة الإنسان.
علاوة على ذلك، وجد الباحثون أن بعض الأمفيفيليات، بفضل خصائصها الإلكترونية الفطرية، يمكن أن تعمل كمانحات إلكترونات. هذه الأمفيفيليات المانحة للإلكترونات، عندما تُدمج في مواد قابلة للارتداء، تنتج مادة مريحة قادرة على توليد الكهرباء عبر الاحتكاك الناتج عن الفرك ضد بشرة الإنسان أو أسطح أخرى.
باختصار، كما أبرزت هسياو، في اختبار إثبات المفهوم، وجد الباحثون أن هذه المواد الأمفيفيلية لا تشعر بالراحة على الجلد فحسب، بل يمكنها توليد ما يصل إلى 300 فولت، وهو أمر ملحوظ لقطعة صغيرة من المادة.
وفقًا لسعد خان:
«نحن مهتمون بالقيام بالمزيد لاستخدام هذه المواد، مثل استكشاف كيفية دمجها في الأجهزة اللمسية الحالية. ونحن منفتحون للعمل مع شركاء الصناعة لتحديد تطبيقات جديدة.»
بينما يجب أن تسير الأبحاث وتبنيها الصناعي جنبًا إلى جنب، هناك عدة شركات غارقة بالفعل في البحث عن منتجات يمكنها جمع الطاقة من الجسم لتشغيل أجهزة التكنولوجيا القابلة للارتداء. في الفقرات التالية، نناقش بعض هذه الشركات الرائدة التي قد تستفيد من البحث الذي ناقشناه.
1. Medtronic PLC (MDT )
إحدى الشركات التي عملت على نطاق واسع مع التكنولوجيا القابلة للارتداء هي ميدترونيك. هذه العملاقة العامة في مجال التكنولوجيا الطبية ربما هي واحدة من أفضل الشركات التي يمكنها الاستفادة من مستخلصات الطاقة اللمسية.
أحد أهم منتجات ميدترونيك هو BioButton، جهاز قابل للارتداء من الدرجة الطبية متعدد المعلمات صُمم للمراقبة الذكية للمرضى. يوفر بيانات متوجهة حول العلامات الحيوية الرئيسية والبيومتريات، ويعمل كمؤشر مبكر لتدهور حالة المريض.
صُمم للمراقبة المستمرة للمؤشرات الرئيسية لتدهور حالة المريض، يمكن للجهاز قياس معدل التنفس أثناء الراحة، معدل ضربات القلب أثناء الراحة، درجة حرارة الجلد، وسلسلة من البيومتريات. جعل الجهاز القابل للارتداء من الممكن للباحثين استكشاف البيانات المتوجهة لمساعدة الأطباء في تحديد المرضى الذين قد يحتاجون إلى تدخل سريري والذين قد يكونون جاهزين للخروج.
في عام 2022، دخلت ميدترونيك في شراكة استراتيجية مع BioIntelliSense، شركة مراقبة الصحة المستمرة والذكاء السريري، للحصول على حقوق التوزيع الحصرية في المستشفيات الأمريكية ولـ 30 يومًا بعد الرعاية الحادة من المستشفى إلى المنزل لجهاز BioButton.
خلال إعلان الشراكة، قال فرانك تشان، دكتوراه، رئيس أعمال مراقبة المرضى، والتي كانت جزءًا من محفظة الجراحة الطبية في ميدترونيك، ما يلي:
«رؤيتنا هي تمكين الأطباء والمرضى من خلال رؤى قابلة للتنفيذ لتخصيص الرعاية — في أي وقت وأي مكان. من خلال تعاوننا مع BioIntelliSense، سندعم الرعاية المستمرة والمتصلة من داخل المستشفى إلى المنزل ونوسع نطاقنا لمساعدة المزيد من المرضى في مزيد من الأماكن أكثر من أي وقت مضى.»
MDT مخطط السعر
كونها واحدة من أهم شركات التكنولوجيا الطبية في العالم، ربما تكون ميدترونيك الأكثر تأهلاً للاستفادة من الأبحاث مثل التي ناقشناها. في مايو 2024، أعلنت ميدترونيك عن النتائج المالية للربع الرابع والسنة المالية 2024. أفادت الشركة أن إيرادات الربع الرابع بلغت 8.6 مليار دولار، بزيادة 0.5٪ وفقًا للتقارير و5.4٪ عضويًا. كما أفادت الشركة أن إيرادات السنة المالية 2024 بلغت 32.4 مليار دولار، بزيادة 3.6٪ وفقًا للتقارير و5.2٪ عضويًا.
2. Philips
مثل ميدترونيك، شركة تقنية أخرى وضعت الكثير من جهود البحث والتطوير في تطوير تكنولوجيا قابلة للارتداء متقدمة هي فيليبس. تمنح حلول المراقبة التي يرتديها المرضى من فيليبس المرضى حرية التحرك داخل وحدة الرعاية أو المستشفى.
مصممة للراحة، تستخدم أجهزة فيليبس التي يرتديها المرضى تقنية لاسلكية لنقل البيانات والإنذارات إلى الأماكن المطلوبة، مثل منطقة التمريض المركزية، أو منطقة المراقبة عن بُعد، أو جهاز المرافق المحمول. تتميز الأجهزة بمجموعة من قدرات القياس لتلبية احتياجات المرضى العامة ومتوسطة الرعاية.
اسم العلامة التجارية للمنتج هو Intellivue MX40. يمكن للمستخدمين تشغيل IntelliVue MX40 ببطاريات AA القابلة للتصرف أو ببطارية فيليبس القابلة لإعادة الشحن واحدة. يدعم الجهاز القدرة على الحصول على معلومات ECG ذات 12 قطبًا مشتقة مع مراقبة مستمرة لـ ST و QT، وFAST SpO2، والتنفس عبر المقاومة. مع ما يصل إلى 5 تنسيقات للشاشة، تكون المعلومات المطلوبة متاحة بسهولة بلمسة واحدة.
يتميز الجهاز باتصال لاسلكي قصير المدى مع مراقبي IntelliVue لالتقاط العلامات الحيوية أو للمشاهدة الشاملة. يحتوي الجهاز على موصل كابل فريد صُمم لتقليل جمع الأوساخ والسوائل، وتصميم غلاف يتحمل المطهرات عالية المستوى، بما في ذلك التعقيم الدوري.
وفقًا لأحدث المعلومات المتاحة، في عام 2023، سجلت فيليبس مبيعات بقيمة 18.2 مليار يورو مع نمو مبيعات مقارن بنسبة 6٪ وهامش EBITA معدل بنسبة 10.6٪.
بينما تقوم شركات التقنية الكبيرة مثل ميدترونيك وفيليبس بتطوير منتجات يمكن أن تستفيد بشكل كبير من مستخلصات الطاقة اللمسية، تعمل عدة مؤسسات بحثية أخرى على نفس النهج.
في الفقرات القادمة، نناقش بعض هذه الدراسات البحثية التي لديها القدرة على إحداث ثورة في التطبيقات في هذا المجال.
نموذج إلكتروني يجمع الطاقة من حرارة الجسم ويحولها إلى كهرباء
في سبتمبر 2024، صدرت تقارير عن باحثين من جامعة واشنطن يطورون نموذجًا إلكترونيًا مرنًا ومتينًا قادرًا على جمع الطاقة من حرارة الجسم وتحويلها إلى كهرباء لتشغيل إلكترونيات صغيرة، مثل البطاريات، المستشعرات، أو مصابيح LED. تحافظ مرونة الجهاز على قابليته للاستخدام حتى بعد اختراقه عدة مرات وتمددها حتى 2000 مرة.
وفقًا للمؤلف الأول محمد مالاكوتي، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة واشنطن:
«عندما تضع هذا الجهاز على بشرتك، يستخدم حرارة جسمك لتشغيل LED مباشرة. بمجرد وضع الجهاز، يضيء LED. هذا لم يكن ممكنًا من قبل.»
لتوضيح الوظيفة، يحتوي الجهاز على ثلاث طبقات رئيسية. الطبقة الوسطى تحتوي على أشباه موصلات حرارية صلبة تحول الحرارة إلى كهرباء. تُحاط هذه أشباه الموصلات بمركبات مطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات توصيل حراري منخفض، مما يعزز تحويل الطاقة ويقلل وزن الجهاز.
علاوة على ذلك، لتوفير القابلية للتمدد، والموصلية، والشفاء الذاتي الكهربائي، يتم ربط أشباه الموصلات بخطوط طباعة من المعدن السائل. بالإضافة إلى ذلك، تحسن قطرات المعدن السائل المدمجة في الطبقات الخارجية نقل الحرارة إلى أشباه الموصلات وتُحافظ على المرونة لأن المعدن يبقى سائلًا في درجة حرارة الغرفة.
أثناء حديثه عن فوائد التقنية وغرضها الأكبر، قال محمد مالاكوتي ما يلي:
«قد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص في مراكز البيانات، حيث تستهلك الخوادم ومعدات الحوسبة كميات كبيرة من الكهرباء وتولد حرارة، مما يتطلب المزيد من الكهرباء لتبريدها. يمكن لأجهزتنا التقاط تلك الحرارة وإعادة توجيهها لتشغيل مستشعرات الحرارة والرطوبة.»
وأضاف:
«هذا النهج أكثر استدامة لأنه يخلق نظامًا مستقلاً يراقب الظروف مع تقليل استهلاك الطاقة الكلي. بالإضافة إلى ذلك، لا حاجة للقلق بشأن الصيانة، أو تغيير البطاريات، أو إضافة أسلاك جديدة.»
في المستقبل، كان الباحثون متفائلين بشأن تطبيق هذه التقنية في أنظمة الواقع الافتراضي وإكسسوارات قابلة للارتداء أخرى لإنشاء إحساسات حرارة وبرودة على الجلد أو تحسين الراحة العامة.
قبل ثلاث سنوات من ذلك، في أكتوبر 2021، حقق باحثون في جامعة كولورادو بولدر اختراقًا مشابهًا. سنستعرض ذلك البحث في الفقرة التالية.
انقر هنا لتتعرف على القماش الذكي الذي يحول حرارة الجسم إلى طاقة.
جهاز قابل للارتداء حول الجسم إلى بطارية
باحثون في جامعة كولورادو بولدر توصلوا إلى جهاز قابل للارتداء منخفض التكلفة يمكنه تحويل جسم الإنسان إلى بطارية بيولوجية.
إحدى أكثر ميزات الجهاز إغراءً كانت أنه مرن بما يكفي ليُرتدى كخاتم أو سوار أو أي إكسسوار آخر يلامس بشرة المستخدم. يستغل حرارة الشخص الطبيعية — باستخدام مولدات حرارية كهربائية لتحويل درجة حرارة الجسم الداخلية إلى كهرباء.
يمكن للجهاز توليد حوالي 1 فولت من الطاقة لكل سنتيمتر مربع من مساحة الجلد — جهد أقل لكل مساحة مقارنةً بمعظم البطاريات الحالية، لكنه لا يزال كافيًا لتشغيل إلكترونيات مثل الساعات أو متتبعات اللياقة.
استخدم الباحثون قاعدة مصنوعة من مادة مرنة تسمى بولي إيمين، ثم وضعوا سلسلة من الشرائح الحرارية الكهربائية الرفيعة داخل تلك القاعدة، وربطوها جميعًا بأسلاك من المعدن السائل. بدا المنتج النهائي كخليط بين سوار بلاستيكي ولوحة أم حاسوب مصغرة أو ربما خاتم ماسي تقني.
كان الحل مرنًا بما يكفي لتقوية طاقته بإضافة المزيد من وحدات المولدات. قارن أحد الباحثين الحل بطريقة تعاملنا مع قطع الليغو:
«إنه مثل تجميع مجموعة من قطع الليغو الصغيرة لتكوين هيكل كبير. يمنحك الكثير من خيارات التخصيص.»
فيلم فائق الرقة ومرن يزود الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي بالطاقة
أجرى بحث أحدث، بقيادة فريق من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا، تطوير فيلم فائق الرقة ومرن يمكنه تزويد الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي بالطاقة باستخدام حرارة الجسم، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتقنية تبريد الشرائح الإلكترونية، مما يساعد الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر على العمل بكفاءة أكبر.
وفقًا للبروفيسور Zhi-Gang Chen، الذي نُشر بحث فريقه الجديد في المجلة المرموقة Science:
«يمكن ارتداء الأجهزة الحرارية الكهربائية المرنة بشكل مريح على الجلد حيث تحول بفعالية فرق الحرارة بين جسم الإنسان والهواء المحيط إلى كهرباء.»
أثناء حديثه عن التطبيقات المحتملة لهذه التقنية، أبرز البروفيسور تشن أنها يمكن تطبيقها في مساحة ضيقة، مثل داخل جهاز كمبيوتر أو هاتف محمول، للمساعدة في تبريد الشرائح وتحسين الأداء.
شملت التطبيقات الأخرى إدارة الحرارة الشخصية، حيث يمكن لحرارة الجسم تشغيل نظام تدفئة وتهوية وتكييف قابل للارتداء. أشار الباحثون إلى بعض التحديات التي كانت صحيحة أيضًا للابتكارات المماثلة. شملت هذه التحديات محدودية المرونة، وتعقيد التصنيع، والتكاليف العالية، وعدم كفاية الأداء.
مع ذلك، قدم البحث الذي نناقشه حاليًا بعض الحلول فيما يتعلق بإدارة التكاليف. بينما ركز معظم الأبحاث في هذا المجال على المواد الحرارية الكهربائية القائمة على بيسموت تلوريد، التي تُقدر بخصائصها العالية في تحويل الحرارة إلى كهرباء، قدم الفريق تقنية منخفضة التكلفة لصنع أفلام حرارية كهربائية مرنة باستخدام بلورات صغيرة أو «روابط نانوية»، التي تشكل طبقة متسقة من صفائح بيسموت تلوريد، مما يعزز كلًا من الكفاءة والمرونة.
بشكل أكثر تحديدًا، استخدم الفريق تقنية «التحليل الحراري المذاب»، وهي طريقة تُشكل نانوكريستالات في مذيب تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين، بالاشتراك مع «الطباعة بالشاشة» و«التلبيد».
أنشأ الباحثون فيلمًا قابلًا للطباعة بحجم A4 يتمتع بأعلى أداء حراري كهربائي مسجَّل، ومرونة استثنائية، وقابلية للتوسع، وتكلفة منخفضة. سمحت طريقة الطباعة بالشاشة بإنتاج الفيلم على نطاق واسع، بينما أدى التلبيد إلى تسخين الأفلام إلى ما يقرب من نقطة الانصهار، مما ربط الجسيمات معًا.
يمكن أن يعمل الحل أيضًا مع أنظمة أخرى، مثل المواد الحرارية الكهربائية القائمة على سيلينيد الفضة، والتي قد تكون أرخص وأكثر استدامة من المواد التقليدية.
كلمات ختامية
لقد تطور إدارة الطاقة الناجحة لتصبح العتبة الأكثر حيوية التي يمكن أن تصنع أو تدمر حلًا تقنيًا. تُعد تقنيات جمع الطاقة التي تستغل حرارة الجسم لتشغيل التكنولوجيا القابلة للارتداء النهج الأكثر وعدًا في هذا الاتجاه، حيث تضمن الكفاءة دون الحاجة إلى طاقة أو مصدر خارجي. الحلول الناتجة عن هذه الجهود مستدامة. مع تزايد الاعتماد، أصبح الأمر مسألة وقت فقط قبل أن تصبح هذه الحلول جاهزة للإنتاج التجاري على نطاق واسع، مما يقلل التكاليف ويحسن التوافر.
مرجع الدراسة:
1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). ضغط الأمفيفيليات المجمعة على سطح زلق لمستخلصات الطاقة اللمسية القابلة للتعديل. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088
