Kan vi snart drive vores elektroniske enheder med bærbare energihøstere?

Gør elektroniske enheder fleksible

Med smartphones er vi blevet vant til at have elektronik med os hele tiden. Dette sker dog stadig med en klodset blok af metal og plast, som, om noget, bliver større og tungere hvert år.

Det næste skridt ville være at integrere elektroniske enheder i vores påklædning mere problemfrit. Dette er allerede begyndt med bærbar elektronik som smartwatches og andre sundheds‑fokuserede wearables.

Et skridt videre ville være at integrere elektronik direkte i vores tøj. Men for at gøre det, skal det være meget fleksibelt og let. Der er gjort solide fremskridt i den retning:

• Bøjbare skærme er nu rutinemæssigt integreret i high‑end smartphones fra Samsung og Huawei.
• Bøjelige og strækbare batterier lavet af polymerer er under udvikling.
• Microprocessorer kan også bøjes.

Så hvis skærme, batterier og endda processorer nu er fleksible og bøjbare, hvad er så stadig den hindring, der forhindrer os i at have wearables integreret i vores tøj? At forsyne dem med strøm er stadig en alvorlig flaskehals.

Men dette kan ændre sig takket være en opdagelse af koreanske forskere ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Hannam University, Yonsei University, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) og Jeonbuk National University.

De udviklede en bærbar energihøster, der er 280‑gange mere effektiv end konventionelle enheder, ved brug af en ny type piezoelektrisk energihøster.

Det blev offentliggjort i ACS Nano under titlen “Curvature‑Specific Coupling Electrode Design for a Stretchable Three‑Dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator¹”.

Triboelectric og piezoelektriske enheder

Energihøstere er systemer, der producerer energi fra bevægelser. Der findes hovedsageligt to typer, baseret på om de virker på triboelectric‑effekten eller piezoelektrisk‑effekten.

Triboelectric‑generatorer er det, der almindeligvis kaldes elektrostatisk, eller hvad der sker, når to objekter berører eller glider mod hinanden. Dette kan generere noget elektricitet, men er ofte for svag til at drive elektronik.

Piezoelektrisk er effekten, hvor elektricitet genereres som respons på mekanisk stress som bøjning, sammentrækning osv. Indtil nu er de fleste piezoelektriske energihøstere lavet af organiske eller komposit‑baserede piezoelektriske materialer, som har lav energieffektivitet.

Pr Jangs team brugte en anden type materiale: bly‑zirkonat‑titanat (PZT).

Kilde: DGIST

PZT‑piezoelektrisk generator

PZT er længe kendt for sin fremragende piezoelektriske ydeevne, men det er også hårdt og skrøbeligt. Derfor var det usandsynligt at bruge det i strækbare enheder og stole på bevægelse til at generere strøm i en holdbar generator til wearables.

Forskerne undersøgte derfor, hvordan man kan designe en PZT‑baseret 3D‑struktur, der er ufølsom over for deformation og garanterer strækbarhed, samtidig med at den bevarer den piezoelektriske funktion.

Det første skridt var at skabe en buet elektrode med en konveks form, der producerer strøm, når den strækkes.

Kilde: ACS Nano

Derefter samlede de strenge af disse elektroder ind i hinanden, svarende til nettet i et stof eller en kurv.

Kilde: ACS Nano

Udbedring af problemer

Fordi elektroderne er sammenflettet, kunne de let ophæve hinanden. For at undgå dette blev elektroderne opdelt i konvekse og konkave regioner i forhold til retningen af den inducerede udgangsspænding.

Strømmen kan genereres af enhver kropsbevægelse, som forskerne testede på knæet, hånden eller endda fingrene.

Kilde: ACS Nano

Dette skabte en meget effektiv piezoelektrisk generator, der udviser både ekstrem strækbarhed og den højeste strømtæthed for enhver enhed af denne type.

Kilde: ACS Nano

“Udviklingen af denne højeffektive, strækbare piezoelektriske energihøsterteknologi er en stor præstation i denne forskning. Vi forventer, at teknologien vil blive nyttig efter kommercialisering og føre til praktisk brug af bærbare energihøstere.”

Pr. Kyung‑In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Anvendelser

Bærbare enheder

Den mest direkte anvendelse ville være at forsyne elektronik integreret i tøj, når vi bevæger os, f.eks. mens vi går.

Dette kunne være nyttigt for wearables, især sundhedsovervågningsenheder, som så ikke ville være afhængige af regelmæssig batteriopladning.

Medicinske implantater

En specifik type implantat kunne drage stor fordel af denne slags generator: hjerte‑implantater.

Hjertet bevæger og kontraherer konstant, hvilket kan give en stabil energikilde til sådanne medicinske implantater.

Forskerne testede konceptet ved at indkapsle generatoren i en polyimidfilm. Dette var nødvendigt for effektivt at isolere PZT fra bio‑væsker og væv, da PZT kan være giftigt.

Kilde: ACS Nano

Militær

En anden anvendelse kunne være i militæret, hvor infanteri i stigende grad er afhængig af strømkrævende sensorer, kommunikation, elektronisk krigsførelse osv.

Det er næsten upraktisk for kampstyrker at skulle navigere i et net af kabler og batterier. Samtidig skal de allerede håndtere deres våben, ammunition, telekommunikationsløsning osv. En piezoelektrisk generator direkte forbundet til fleksibel elektronik i soldaternes uniform kunne være et godt alternativ.

Investering i bærbare enheder

Bærbar teknologi forventes at vokse med 14,6 % CAGR indtil 2030, fra 61,2 mia. $ i 2022.

Kilde: Grand View Research

Du kan investere i virksomheder relateret til wearables gennem mange mæglere, og du kan finde vores anbefalinger for de bedste mæglere i securities.io for USA, Canada, Australien, UK samt mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke virksomheder, kan du også kigge på ETF’er som iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) eller SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), som giver en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af den voksende wearables‑ og medicinsk‑enhedsindustri.

Du kan også læse vores artikel “Top 6 medicinske enhedsaktier“.

Virksomhed inden for bærbare enheder

Fremstilling af bærbare enheder

En måde at bygge fleksibel elektronik på er ved at bruge polymerer. En anden måde er at anvende et meget fleksibelt og ikke‑giftigt metal, gallium, som vi diskuterede i en dedikeret investeringsrapport.

Solenergi, ud over den piezoelektriske effekt, kunne også oplade fleksible wearables. Dette kan opnås enten ved at bruge perovskite‑solceller eller ultratynde organiske fotovoltaiske teknologier.

Philips er et velkendt forbrugerelektronik‑brand (barbermaskiner, elektriske tandbørster), lige så aktivt inden for sundhedssektoren. Det var nummer 1 for MedTech‑patentindleveringer i Europa i 2022.

Det er aktivt inden for forbundne medicinske produkter, fra wearables til billeddannelse, respiratorer eller medicinske robotter. Virksomheden er også aktiv inden for halvledere (inklusive maglev‑teknologi) og højteknologi/robotik/automatisering.

Kilde: Philips

Philips’ wearables dækker hjerte‑, respirations‑ og aktivitetsmålinger. Dets sensorer kan integreres i smartwatches, sundhedsovervågningsenheder, medicinske patches og aktivitets‑trackere.

Med hensyn til wearables foretrækker Philips en partnerskabsløsning, hvor de udvikler for tredjeparter “deres” forbundne IoT‑medicinske enheder, fuldt kompatible med resten af Philips’ løsninger. I den sammenhæng tilbyder de deres kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, end‑to‑end produktudvikling og industriel produktion i stor skala.

Dette gør Philips til en teknologifokuseret virksomhed og en sandsynlig kandidat til hurtigt at integrere innovationer som fleksible piezoelektriske generatorer i eksisterende medicinske enheder.

I 2023 påvirkede Philips’ enheder direkte 1,82 milliarder mennesker.

Virksomheden ønsker at skabe et fuldt integreret digitalt sundheds‑miljø, hvor sensorer matcher enheder, og derefter bruge flere forbindelsesløsninger til at integrere i Philips HealthSuite Cloud‑løsningen og muliggøre dybdegående dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør til MedTech‑industrien er Philips ikke så synlig i sektoren som andre mere fremtrædende virksomheder. Dog er den ekspert i at bygge højtydende elektroniske enheder og sensorer, ofte ved at skubbe grænserne for, hvad der er muligt inden for sit nicheområde i sundhed og wearables.

Efterhånden som wearables i stigende grad integreres i sundheds‑ og medicinske protokoller, vil Philips’ Healthcare‑segment sandsynligvis vokse som en del af konglomeratet.

Studierreferencer:

^{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). Curvature‑specific coupling electrode design for a stretchable three‑dimensional inorganic piezoelectric nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933} på dansk.