الحوسبة
اختراق في جهاز الكهروحراري يمهد لتقدم الأجهزة القابلة للارتداء
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قامت فريق بحثي من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا (QUT) بتطوير فيلم مرن ورقيق للغاية لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء باستخدام حرارة أجسامنا فقط، وبالتالي القضاء على الحاجة إلى البطاريات.
يمكن أيضًا استخدام التقنية الجديدة لتبريد الرقائق الإلكترونية في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر، مما يساعدها على العمل بكفاءة أكبر ويعزز استقرارها.
وفقًا للبروفيسور تشي-غانغ تشين، المؤسس والمدير لمركز أبحاث ARC في توليد الطاقة الخالية من الانبعاثات من أجل الحياد الكربوني (ZeroPC)، فإن الاختراق يعالج تحديًا رئيسيًا في إنشاء جهاز كهروحراري يحول حرارة الجسم إلى طاقة. يمتلك الجهاز إمكانية أن يكون مصدر طاقة مستدام للإلكترونيات القابلة للارتداء.
عند الحديث عن الأجهزة الكهروحرارية المرنة، أوضح البروفيسور تشين أن:
“يمكن ارتداؤها بشكل مريح على الجلد حيث تحول بفعالية فرق الحرارة بين جسم الإنسان والهواء المحيط إلى كهرباء.”
بناء جهاز كهروحراري قابل للارتداء استثنائي
الأجهزة التي يمكنها تحويل حرارة الجسم إلى طاقة، رغم كونها موضوعًا يثير اهتمامًا كبيرًا واستكشافًا واسعًا، تواجه حاليًا تحديات التكلفة العالية، والتصنيع المعقد، والمرونة المحدودة، والأداء غير الكافي، مما يمنع إنتاجها واعتمادها على نطاق واسع.
في الدراسة الأخيرة المنشورة في مجلة Science، قدم فريق QUT طريقة منخفضة التكلفة لإنشاء أفلام كهروحرارية مرنة. استخدموا في ذلك بلورات صغيرة أو ‘روابط نانوية’ تشكل طبقة متجانسة من صفائح بيسموتيلوريد، مما يعزز كلًا من المرونة والكفاءة.
بسموتيلوريد (Bi2Te3) هو مادة شائعة يستخدمها الباحثون لبناء مثل هذه الأجهزة. المسحوق الرمادي هو مركب من البزموت والتيلوريوم. يُظهر شبه الموصل المستقر كيميائيًا خصائص ممتازة تحول الحرارة إلى كهرباء، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات منخفضة الطاقة مثل مراقبة الحركة، معدل ضربات القلب، ومقاييس الحرارة.
لذلك، أنشأ فريق QUT فيلمًا قابلًا للطباعة بحجم A4 “بأداء كهروحراري قياسي عالي، مرونة استثنائية، قابلية توسع، وتكلفة منخفضة، مما يجعله من أفضل الأجهزة الكهروحرارية المرنة المتاحة”، وفقًا للبروفيسور تشين.
يتكون الفيلم القابل للطباعة من فريق QUT من ألواح نانوية قائمة على Bi2Te3 كحبيبات موجهة عاليًا وأعمدة نانوية من التيلوريوم كـ “روابط نانوية”.
التقنية المستخدمة هنا هي “التحليل الحراري المذيب”، التي تُكوّن نانوكريستالات في مذيّب تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين. تم دمج هذه التقنية مع “التلبيد”، الذي يسخّن الأفلام إلى ما يقرب من نقطة الانصهار لربط الجسيمات معًا، و”الطباعة بالشاشة”، التي تتيح إنتاج الأفلام على نطاق واسع.
يمكن أيضًا أن تعمل الطريقة المستخدمة من قبل الفريق مع أنظمة غير عضوية أخرى مثل الكهروحراريات القائمة على سيلينيد الفضة (Ag2Se)، والتي قد تكون أرخص وأكثر استدامة من المواد التقليدية، مما يُظهر قابلية تطبيق التقنية على نطاق واسع.
“هذه المرونة في المواد تُظهر الإمكانيات الواسعة التي يقدمها نهجنا لتطوير تقنية الكهروحراري المرنة.”
– المؤلف الأول للدراسة، وينيي تشين
وفقًا للدراسة، وصل الجهاز إلى كثافة طاقة معيارية >3 ميكروواط سم⁻² ك⁻²، وهو ما يصفه الفريق بأنه “يحتل مرتبة من بين الأعلى في الأجهزة المطبوعة بالشاشة”.
بهذا، تقدم الأبحاث الأخيرة حلًا قويًا للأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية وإدارة الحرارة الشخصية. بالإضافة إلى تزويد الأجهزة بالطاقة، يمكن أيضًا تطبيق هذه الأجهزة الكهروحرارية في مساحة ضيقة، مثل داخل الهاتف المحمول، للمساعدة في تبريد الرقائق وتحسين الأداء.
على سبيل المثال، عند تطبيقه داخل جهاز، يمكن للفيلم خفض درجة حرارة الرقاقة بما يصل إلى 11.7 كلفن، مما يساعد على الحفاظ على الأداء الأمثل في الأجهزة الإلكترونية.
إذا نجح الفريق في تحسين أداء هذا الجهاز الكهربائي المرن، سيتمكنون من تزويد الهواتف الذكية المستقبلية بالطاقة مباشرة، أشار تشين في الفيديو الرسمي بعنوان “الاختراق يقرب الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بحرارة الجسم من الواقع”، المنشور على قناة الجامعة على يوتيوب.
تشمل التطبيقات المحتملة الأخرى للجهاز أنظمة تكييف الهواء والتهوية. كما يتصور فريق البحث في QUT استخدام الأجهزة الكهروحرارية في الملابس الذكية ومكونات السيارات.
هذا مجرد البداية، ومع ذلك؛ في الخطوة التالية، سيركز الفريق على تحسين أداء التقنية وتوسيع نطاقها. تحويل التقنية إلى تجارية يتطلب، في النهاية، التغلب على تحديات الكفاءة من حيث التكلفة على نطاق واسع، والمتانة، والتكامل مع الأجهزة الحالية.
ستساعد الأبحاث الإضافية والتطوير المستمر هذه الأجهزة على إحداث ثورة في كفاءة الطاقة في مختلف القطاعات، من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى التطبيقات الطبية والسيارات.
انقر هنا لتعرف كيف تتقدم الأجهزة القابلة للارتداء الصحية في الرعاية الوقائية.
التقدم في تقنية الأجهزة القابلة للارتداء
في عالمنا المتقدم تكنولوجيًا اليوم، ظهرت الأجهزة القابلة للارتداء كابتكار شائع ومفيد للغاية.
الأجهزة القابلة للارتداء هي ببساطة أجهزة إلكترونية محمولة تم تصميمها لتُلبس على الجسم أو تُثبت على الملابس. تشمل بعض الأنواع الشائعة لتقنية الأجهزة القابلة للارتداء الساعات الذكية، والنظارات الذكية، والمجوهرات الذكية مثل الخواتم والأساور. تقوم هذه الأجهزة بتتبع، وتحليل، ونقل البيانات الشخصية.
أحد أبرز تطبيقات الأجهزة القابلة للارتداء تم العثور عليه في مجال الرعاية الصحية. يمكن استخدامها لمراقبة درجة حرارة الجسم، ضغط الدم، معدل ضربات القلب، وغيرها من العلامات الحيوية. تمتد تطبيقات هذه الأجهزة إلى الأمراض الفسيولوجية مثل ارتفاع ضغط الدم واضطرابات العضلات، وكذلك الاضطرابات المعرفية العصبية مثل مرض الزهايمر ومرض باركنسون. تُستخدم الأجهزة القابلة للارتداء أيضًا كنظام لتوصيل الأدوية، مما يساعد على تخصيص الرعاية الصحية.
تُستخدم الآن أنواع مختلفة من الأجهزة القابلة للارتداء في مجال الرعاية الصحية. يشمل ذلك الأجهزة القابلة للارتداء القائمة على الجلد مثل e-skin، والسترات القابلة للارتداء، والخواتم الذكية، وسماعات الأذن، والأجهزة القائمة على السوائل الحيوية التي تستفيد من اللعاب، والدموع، والبول.
بالإضافة إلى الرعاية الصحية، تُستخدم الأجهزة القابلة للارتداء للتواصل مع الآخرين، وإجراء المدفوعات، وتتبع مستويات النشاط، وكذلك في مجالات نمط الحياة، والألعاب، والرياضة، واللياقة البدنية، والأمن، وقطاع الدفاع.
على مر السنين، تطورت تقنية الأجهزة القابلة للارتداء بطرق متعددة. في البداية، يبحث الباحثون والشركات دائمًا عن مواد أفضل لبناء هذه الأجهزة. تسمح المواد المرنة والقابلة للتمدد والتصاميم الناعمة فائقة الرقة بارتداء هذه الأجهزة بشكل مريح والحفاظ على وظائفها.
على سبيل المثال، المعادن السائلة القائمة على الغاليوم، التي تتمتع بموصلية عالية وتوافق حيوي، تقود الطريق في مجال الإلكترونيات الحيوية التي تتناسب بشكل أفضل مع الجسم.
فيما يتعلق بالتصاميم، تطورت التقنية بشكل كبير عن الطرق التقليدية، مع تركيز أكبر الآن على دمجها بسلاسة مع جسم الإنسان. الوشوم الإلكترونية مثال رائع على ذلك؛ فهي إلكترونيات رقيقة جدًا وناعمة كالجلد تتوافق مع الجلد ويمكنها رقمنة المعلومات الفسيولوجية والنفسية بشكل غير جراحي.
أدى تصغير حجم هذه الأجهزة، إلى جانب الإلكترونيات المطبوعة والأقمشة الذكية، إلى حساسات يمكنها مراقبة مجموعة متنوعة من المعلمات الفيزيائية بينما تُدمج الأقطاب الكهربائية في الأقمشة لقياس النشاط. على سبيل المثال، حساسات العرق القابلة للارتداء تراقب باستمرار وبشكل غير جراحي مؤشرات الصحة عبر العرق لتعزيز الطب الدقيق.
المصدر: MDPI
يتم أيضًا تحقيق الكثير من التقدم في حساسات كيميائية ذكية قابلة للارتداء، التي تجد تطبيقًا متزايدًا في الرعاية الصحية، ومراقبة البيئة، وتقييم السلامة.
تم اتخاذ عدة نهج مبتكرة لتصميم وصناعة الحساسات، حيث تم تصميم نظام واحد لاكتشاف NO2 من خلال دمج محلول بولي فينيل كحول/بوركس/أغاروز/NaNO3 وأقطاب أنابيب كربونية متعددة الجدران على صفائح نانوية من الذهب. يُظهر النظام أداءً محسّنًا وقدرات إصلاح ذاتي، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات القابلة للارتداء.
التغلب على قيود التكنولوجيا القابلة للارتداء
مع كل هذه الابتكارات التي تساعد الأجهزة القابلة للارتداء على أن تصبح أفضل وأكثر فاعلية، فقد شهدت تحولًا في مختلف الصناعات، خاصة الرعاية الصحية. ومع ذلك، تعاني من قيود مثل الاستقرار والخصوصية.
على سبيل المثال، قد تتعرض البيانات المستلمة من الحساسات في هذه الأجهزة القابلة للارتداء للتشويه والضوضاء بسبب الحركة المستمرة للجسم.
تشكل البطاريات المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء تحديًا كبيرًا آخر. أدت قيود مصادر الطاقة إلى دفع الباحثين لاستكشاف حلول مختلفة، مثل المولدات النانوية الكهروضغطية (PENG) التي تعمل كحساسات ذاتية الطاقة، والمولدات النانوية الاحتكاكية (TENG) التي تعمل كجامعات طاقة مصغرة.
تحظى مولدات الطاقة الكهروحرارية، على وجه الخصوص، باهتمام كبير في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء. في عام 2017، نشر باحثون من جامعة تشجيانغ وجامعة شيديان ورقة بحثية حول تصميم مولد كهروحراري قابل للارتداء لجمع طاقة جسم الإنسان.
تمامًا مثل البحث الأخير، استخدم هذا البحث أيضًا مادة كهروحرارية قائمة على Bi2Te3 لإنشاء جهاز يمكنه توليد جهد قدره 48 ملي فولت لفارق حرارة قدره 12 كلفن. عند تثبيته على جلد معصم الإنسان، كان طاقة خرج المولد الكهروحراري 130.6 نانوواط عند درجة حرارة محيطية قدرها 25 درجة مئوية، مما يوضح إمكاناته في جمع طاقة حرارة جسم الإنسان وتطوير أجهزة محمولة ذاتية الطاقة.
دراسة أخرى قامت بتقدم في تصميم مولدات كهروحرارية (TEGs) لتطبيقات جمع حرارة الجسم. الحقيقة هي أن هناك فرق حرارة يتراوح بين 10-15 درجة مئوية بين حرارة الجسم ودرجة حرارة البيئة، لكن جزءًا صغيرًا فقط يمر عبر مولد كهروحراري قابل للارتداء بسبب المقاومة الحرارية للجلد.
لتجاوز التحديات التي تواجه مولدات TEG القابلة للارتداء، تم تطوير نموذج تحليلي شبه ثلاثي الأبعاد شامل، ثم تم استخدام تقنية معالجة بالموجات الدقيقة لتصنيع نانومركبات كهروحرارية عالية الأداء، مما أدى إلى انخفاض كبير في التوصيل الحراري وأسفر عن مولدات TEG تُظهر كثافة طاقة أعلى بـ 4-7 مرات مقارنةً بالمولدات التجارية على جسم الإنسان.
في هذا العام وحده، تم نشر عدة دراسات بحثية تركز على الأجهزة الكهروحرارية للأجهزة القابلة للارتداء.
قبل بضعة أشهر، طور باحثون من جامعة واشنطن أيضًا نموذجًا أوليًا عالي المرونة والنعومة يمكنه جمع الطاقة من حرارة الجسم وتحويلها إلى كهرباء، ثم يستخدم لتشغيل الإلكترونيات الصغيرة. بالنسبة لأجهزتها الكهروحرارية المرنة (TEDs)، استخدم فريق UW هياكل ناعمة ثلاثية الأبعاد، أشباه موصلات صلبة، مركبات متعددة الوظائف، وموصلات من معدن سائل ذاتي الشفاء.
بالإضافة إلى جمع الطاقة، ركزت جميع هذه الدراسات على تطوير مواد كهروحرارية خفيفة الوزن ومرنة، وتصميم أسطح قابلة للتكيف لتناسب أجزاء الجسم المتنوعة، وتعزيز وظائف الأجهزة القابلة للارتداء، وتحقيق الكفاءة من حيث التكلفة والقابلية للتوسع.
السوق المتنامي بسرعة للأجهزة القابلة للارتداء
أدت التطورات في تقنية الأجهزة القابلة للارتداء والزيادة الناتجة في الوظائف إلى زيادة اعتماد هذه الأجهزة. من المتوقع أن يتجاوز حجم سوق الأجهزة القابلة للارتداء 150 مليار دولار قبل انتهاء هذا العقد.
سوق الأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة، على وجه الخصوص، يشهد ارتفاعًا منذ فترة. لقد ازدهرت فعليًا خلال الجائحة عندما أصبح الصحة الشخصية محور اهتمام الجميع. تضيف هذه الأجهزة عددًا متزايدًا من المقاييس، ومع اقترابها من مستوى الأجهزة الطبية، يتبناها المزيد والمزيد من المستهلكين.
إلى جانب اللياقة والرعاية الصحية، تُظهر عمالقة التقنية اهتمامًا خاصًا بالأجهزة القابلة للارتداء للواقع الافتراضي، والواقع المعزز، والواقع المختلط (VR، AR و MR). كما حظيت الملابس الذكية والنصوص الإلكترونية باهتمام، لكنها لا تزال تواجه تحديات فيما يتعلق بقابلية التوسع في التصنيع والاقتصاديات الإنتاجية.
من المثير للاهتمام، من المتوقع أن ينمو سوق خدمات الدفع القابلة للارتداء بوتيرة قوية، بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 13.6% ليصل إلى 120 مليار دولار. يُعزز هذا النمو اعتماد تقنية التواصل قريب المدى (NFC) في الهواتف الذكية، وأجهزة تتبع اللياقة، وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء،
تشمل أنواع منتجات التكنولوجيا القابلة للارتداء أيضًا رقع الجلد الإلكترونية، وأحزمة الصدر، والعدسات الذكية، والكاميرات القابلة للارتداء، والتي تحظى أيضًا بالاهتمام.
وفقًا لتقرير حديث، من المتوقع أن تنمو شحنات الأجهزة القابلة للارتداء عالميًا بأكثر من 6% على أساس سنوي هذا العام لتصل إلى ما يقرب من 538 مليون وحدة. يُعزى هذا النمو إلى تحسن الاقتصاد وتزايد اعتماد الأجهزة القابلة للارتداء في المناطق الناشئة.
ومع ذلك، سيكون هذا النمو غير متساوٍ عبر القطاعات، حيث من المتوقع أن تشهد الأجهزة القابلة للارتداء، التي تمثل أكثر من 60% من سوق الأجهزة القابلة للارتداء، دفعةً مع استقرار الأسعار. في حين من المتوقع أن تشهد الساعات الذكية انخفاضًا بنسبة 3%، وهو أول انخفاض سنوي على الإطلاق، رغم أنه من المتوقع أن تتعافى لتسجيل نمو بنسبة 4.8% العام المقبل. يعود ذلك إلى ارتفاع الأسعار وقلة التغييرات في التصميم.
الأجهزة القابلة للارتداء الناشئة
عند الحديث عن الأجهزة القابلة للارتداء الناشئة، تتصدر قطاعات اللياقة والرعاية الصحية المشهد.
في مجال الرعاية الصحية، تُحدث أجهزة تخطيط القلب الكهربائي (ECG) القابلة للارتداء، التي تتوفر في الساعات الذكية واللاصقات، تحولًا في رعاية القلب عن بُعد. تتزامن هذه الأجهزة مع تطبيقات تخزن بيانات ECG، مما يتيح للأطباء مراجعتها عن بُعد وتقديم إدارة صحية استباقية، مما يؤدي إلى أنماط حياة أكثر صحة.
تمكن الأجهزة القابلة للارتداء اليوم أيضًا من جمع مستمر للعلامات الحيوية بمساعدة حساسات متقدمة توفر بيانات فورية عن مرتديها. على سبيل المثال، يتيح مراقبة الجلوكوز المستمرة (CGM) رؤى فورية لمستويات سكر الدم، مما يسمح للمرضى بمراقبة صحتهم من راحة منازلهم.
يتزايد التركيز بين الشركات أيضًا على مراقبة معدل ضربات القلب. تتوفر الساعات الذكية مثل Casio G-Shock Rangeman بمراقب معدل ضربات القلب لتحديد حركة الجسم بدقة بالإضافة إلى تغيرات البيئة الطبيعية بمساعدة نظام GPS والحساسات. ثم هناك مراقبات معدل ضربات القلب من Garmin(GRMN )، التي تأتي بتصميم مريح يسمح للنساء بتثبيتها مباشرة على حمالات الصدر الرياضية.
كما نرى، فإن سهولة الوصول هي بالتأكيد نقطة التركيز لشركات التكنولوجيا التي تطور الأجهزة القابلة للارتداء. وهذا صحيح أيضًا بالنسبة لخواتم Oura الذكية، التي يمكن ارتداؤها على الإصبع. يحتوي الخاتم على مقياس تسارع ثلاثي الأبعاد لتحديد الحركة، وحساس NTC لمراقبة درجة حرارة جسمك، وحساس PPG لتتبع معدل ضربات القلب.
ثم هناك خاتم Evie الذكي، الذي اتخذ نهجًا يركز على النساء في تصميمه من خلال تمكين تتبع النوم، وصحة القلب، ودورات الطمث. في الوقت نفسه، تقدم المستشعرات الحيوية القابلة للارتداء مسارات واعدة لإدارة التوتر عن طريق اكتشاف التغييرات الدقيقة في المؤشرات الحيوية مثل مستويات الكورتيزول.
تقوم الشركات أيضًا بصنع سماعات رأس توجه المستخدمين أثناء التمارين، بينما تم إنشاء قفازات خاصة مثل GyroGlove لمرضى باركنسون لتقليل الرعشة وتحسين جودة الحياة.
في عالم الترفيه، تسمح الأجهزة القابلة للارتداء مثل Xreal Air للمستخدمين بمشاهدة المحتوى ولعب الألعاب، بينما تمكّن نظارات Meta(META ) الذكية من إنشاء المحتوى ومشاركته. ثم هناك أجهزة مثل Ai Pin، التي تعمل بمعالج Qualcomm (QCOM ) ثماني النواة بسرعة 2.1 جيجاهرتز ويمكنها التقاط الصور، وإرسال الرسائل النصية، والرد على المكالمات.
انقر هنا لتتعرف على الأقراط الحرارية.
الشركات الرائدة في قطاع الأجهزة القابلة للارتداء
الآن، عندما نتحدث عن الشركات، Apple (AAPL ) تتصدر المجال بفضل محفظتها القوية من المنتجات الذكية مثل Apple Watch. تشمل المقاييس الصحية الرئيسية التي يغطيها الساعة معدل ضربات القلب، معدل التنفس، درجة حرارة المعصم، نسبة الأكسجين في الدم، ومدة النوم.
AAPL مخطط السعر
تُعد الشركة الأكبر في العالم من حيث القيمة السوقية التي تبلغ 3.75 تريليون دولار، وأسهمها تتداول حاليًا عند 248 دولارًا، بارتفاع 28.88% هذا العام. تمتلك Apple ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة 6.07 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة 40.88، مع عائد توزيعات بنسبة 0.40%. للربع المنتهي في 28 سبتمبر 2024، الذي أطلقت فيه الشركة مجموعة iPhone 16، AirPods 4، وApple Watch Series 10 مع ميزات لصحة السمع واكتشاف انقطاع النفس أثناء النوم، سجل عملاق التكنولوجيا أعلن عن إيرادات بلغت 94.9 مليار دولار.
في الوقت نفسه، تستحوذ Google على سوق الأجهزة القابلة للارتداء من خلال Fitbit، التي استحوذت عليها في عام 2021. كما أطلقت الشركة الصينية Huawei نظام TruSense هذا العام لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء القادمة. تشمل الأسماء البارزة الأخرى في هذا المجال Samsung Group ، Sony Corporation (SONY )، Microsoft (MSFT )، وGarmin.
الخلاصة
تقنية الأجهزة القابلة للارتداء هي سوق ينمو بسرعة ويشهد اهتمامًا وتطورًا كبيرين. علاوة على ذلك، فإن الاختراقات في تقنية الكهروحراري، كما حققها فريق QUT، تمهد الطريق نحو مستقبل أكثر تقدمًا حيث لا تعتمد هذه الأجهزة على البطاريات بعد الآن، مما يؤدي إلى أجهزة خفيفة الوزن وأكثر كفاءة.
لكن بينما تدفع كل هذه التطورات في المواد والتصميم سوق الأجهزة القابلة للارتداء عالميًا، لا تزال هناك تحديات تتعلق بالتكلفة، والقابلية للتوسع، والمتانة. فقط من خلال مزيد من الابتكار، والتعاون المستمر، وزيادة الاستثمارات يمكن الاستفادة من جميع هذه الاختراقات في التطبيقات العملية وتكاملها في حياتنا اليومية!
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم الشركات المتابعة لصحة الأجهزة القابلة للارتداء للاستثمار فيها.
