Haptiske energihøstere gør dig til din egen batteribank

Du har sikkert hørt udtrykkene Haptisk Energi eller Haptisk Feedback. Udtrykket har været brugt hyppigt i disse tider med bærbar teknologi. I 2024 blev der sendt en enorm mængde af 534 millioner bærbare enheder blev sendt globalt.

Disse enheder omfattede en bred vifte af elektroniske enheder såsom smartwatches, fitness-trackere, hovedtelefoner, udvidede virkelighedsenheder, dvs. VR-headsets og augmented reality-briller. Med fremkomsten af bærbar elektronik er et paradigme for haptisk energi opstået.

I løbet af de sidste fire årtier har den primære kommunikationsmetode i elektronik været auditiv eller visuel feedback, hvor hovedsproget for kommunikation har været lyd og lys. Men i dag er haptisk feedback blevet en anden måde for elektronik at kommunikere med mennesker på, ved at bruge deres følesans.

Smartphones, smartwatches, fitness-trackere – alle disse bærbare batteridrevne systemer kan bruge haptik. Som anvendelse har den en veletableret plads i forbruger-, industri- og bilapplikationer, såsom smartphones, tablets, mus, pengeautomater, og bilinfotainmentsystemer. 

Nu har et forskerteam med succes anvendt haptisk energi til bærbare enheder¹. Mens de talte om formålet med deres forskning og vigtigheden af, hvad den kunne opnå, sagde Saad Khan, medforfatter og INVISTA professor i kemisk og biomolekylær ingeniørkunst ved NC State, følgende::

“Vi begyndte derefter en række eksperimenter for at undersøge, om vi kunne bruge amphifiler til at modificere materialer og indarbejde dem i haptiske energihøstere.” 

For at lære mere om forskningen og dens resultater, vil vi dykke dybere ned i den i det næste segment. 

Komprimering af glatte overflade-assemblerede amphifiler til justerbare haptiske energihøstere

Kilde: NC State University

Forskerne indså, at en tilbagevendende udfordring ved at udvinde energi fra omgivende bevægelse var, at enheder skulle opretholde høj høstnings effektivitet og en positiv brugeroplevelse, når deres grænseflade gennemgår dynamisk kompression. Forskerne viste, at små amphifiler kunne bruges til at justere friktion, haptik og triboelektriske egenskaber ved at samle dem i specifikke konformationer på overfladen af materialer. Amphifiler er molekyler, der ofte anvendes i forbrugerprodukter for at reducere friktion mod menneskelig hud. For eksempel indarbejdes disse molekyler ofte i bleer for at forhindre gnidning. 

Mens hun talte om søgen og motivationerne bag den, sagde Lilian Hsiao, korresponderende forfatter af et papir om arbejdet og lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørkunst ved North Carolina State University, følgende:

“Vi satte os for at udvikle en model, der ville give os en detaljeret grundlæggende forståelse af, hvordan forskellige amphifiler påvirker overfladefriktionen af forskellige materialer.”

Forskerne observerede, at molekyler, der dannede flere glidningsplaner under tryk, især gennem π-π-stakning, producerer 80 til 90 % lavere friktion end dem, der danner uordnede mesostrukturer. Som et resultat foreslog forskerne en skaleringsramme for deres friktionsreducerende egenskaber, der tager højde for adhesion og kontaktmekanik.

Ved at nå deres mål indså forskerne, at amphifilbelagte overflader havde tendens til at modstå slid og skabe en særpræget taktil opfattelse, hvor mennesker foretrækker mere glatte materialer. På et andet niveau kunne forskerne også forbedre den triboelektriske udgang ved brug af amphifiler med høj elektrondonoritet. 

Samlet set repræsenterede molekyler, der kunne selvorganisere sig i glatte plan under tryk, en enkel måde at fremme udviklingen af haptiske energihøstere i stor skala. For at forklare i mere praktiske termer fandt forskerne, at det var muligt at bruge amphifiler til at skabe bærbare stoffer med glatte overflader, som føltes behagelige mod menneskelig hud. 

Desuden fandt forskerne, at nogle amphifiler på grund af deres iboende elektroniske egenskaber kunne fungere som elektrondonorer. Disse elektrondonerende amphifiler, når de indarbejdes i bærbare materialer, resulterede i et behageligt materiale, der kunne generere elektricitet gennem friktion fremkaldt ved gnidning mod menneskelig hud eller andre overflader.  

Sammenfattende, som Hsiao fremhævede, fandt forskerne i deres proof-of-concept-test, at disse amphifilmaterialer ikke kun føltes godt på huden, men også kunne generere op til 300 volt, hvilket var bemærkelsesværdigt for et lille stykke materiale.

Ifølge Saad Khan:

“Vi er interesserede i at gøre mere for at udnytte disse materialer, såsom at undersøge hvordan de kan indarbejdes i eksisterende haptiske enheder. Og vi er åbne for at samarbejde med industripartnere for at identificere nye anvendelser.”

Mens forskning og dens industrielle adoption skal gå hånd i hånd, er der flere virksomheder, der allerede er dybt involveret i at undersøge produkter, der kan høste energi fra kroppen for at drive bærbare teknologiske enheder. I de følgende segmenter diskuterer vi et par af sådanne banebrydende virksomheder, der kunne drage fordel af forskning som den, vi har diskuteret.

1. Medtronic PLC

En af de virksomheder, der har arbejdet omfattende med bærbar teknologi er Medtronic. Denne store offentlige med-tech gigant er måske en af de bedst positionerede til at udnytte haptiske energihøstere. 

Et af Medtronics mest betydningsfulde produkter er BioButton, en multi-parameter, medicinsk-klassificeret bærbar enhed designet til intelligent patientovervågning. Den leverer trenddata om nøglevitalparametre og biometrik og fungerer som en tidlig indikator på patientforværring.

Designet til kontinuerlig overvågning af de førende indikatorer på patientforværring, kan monitoren måle hvileåndedrætsfrekvens, hvilepulsfrekvens, hudtemperatur og en række biometrik. Den bærbare enhed gjorde det muligt for forskere at udforske trenddata for at hjælpe klinikere med at identificere patienter, der kan have brug for klinisk indgriben, og dem der kan være klar til udskrivning.

I 2022 indgik Medtronic et strategisk partnerskab med BioIntelliSense, et firma for kontinuerlig sundhedsovervågning og klinisk intelligens, for de eksklusive amerikanske hospitals- og 30-dages post-akutte hospital-til-hjem distributionsrettigheder for BioButton. 

Under annonceringen af partnerskabet sagde Frank Chan, Ph.D., præsident for Patient Monitoring forretningen, som var en del af Medtronics Medical Surgical Portfolio, følgende:

“Vores vision er at give klinikere og patienter handlingsorienteret indsigt for at personalisere pleje – når som helst, hvor som helst. Gennem vores samarbejde med BioIntelliSense vil vi understøtte kontinuerlig, forbundet pleje fra hospital til hjem og udvide vores rækkevidde for at hjælpe flere patienter på flere steder end nogensinde før.”

Som en af de mest betydningsfulde med-tech virksomheder i verden er Medtronic måske den bedst positionerede til at drage fordel af forskning som den, vi har diskuteret. I maj 2024 annoncerede Medtronic finansielle resultater for sin fjerde kvartal og regnskabsår 2024. Selskabet rapporterede en Q4-omsætning på $8.6 billion, en stigning på 0.5% som rapporteret og 5.4% organisk. Selskabet rapporterede en FY 24-omsætning på $32.4 billion, en stigning på 3.6% som rapporteret og 5.2% organisk. 

2. Philips

Ligesom Medtronic er en anden teknologigigant, der har investeret meget i F&U for at udvikle banebrydende bærbar teknologi, Philips. De patientbårne overvågningsløsninger fra Philips giver patienterne frihed til at bevæge sig rundt i plejeafdelingen eller på hospitalet.

Designet for komfort bruger Phillips’ patientbårne enheder trådløs teknologi til at transmittere data og alarmer til de steder, hvor de er nødvendige, såsom et centralt sygeplejeområde, fjernobservationsområde eller en plejers mobile enhed. Enhederne har en række målefunktioner til at imødekomme de kliniske behov for generelle og mellemstore patientpopulationer. 

Produktets mærkenavn er Intellivue MX40. Brugere kan betjene IntelliVue MX40 med engangs AA-batterier eller et enkelt genopladeligt Philips-batteri. Enheden understøtter muligheden for at opnå afledt 12-leder ECG-information, mens den kontinuerligt overvåger ST og QT, FAST SpO2 og impedans respiration. Med op til 5 skærmformater er den nødvendige information let tilgængelig med et enkelt tryk.

Enheden har en trådløs kortdistanseforbindelse til IntelliVue-monitorer for at indfange vitale tegn eller for mere omfattende visning. Enheden har en unik kabelforbinder designet til at reducere indsamling af jord og væsker samt et kabinetdesign, der modstår højniveau desinfektionsmidler, inklusive periodisk sterilisering.

Ifølge de seneste tilgængelige oplysninger, i 2023, registrerede Philips et salg på 18.2 milliarder Euros med 6% sammenlignelig salgsvækst og en justeret EBITA-margin på 10.6% 

Mens store teknologivirksomheder som Medtronic og Philips udvikler produkter, der kan drage betydelig fordel af haptiske energihøstere, har flere andre forskningsorganisationer arbejdet langs samme linje. 

I de kommende segmenter diskuterer vi et par sådanne forskningsstudier, der har potentiale til at revolutionere anvendelser inden for dette felt.

Elektronisk prototype, der høster energi fra kropsvarme og omdanner den til elektricitet

I september 2024 kom der rapporter fra forskere ved University of Washington, der udviklede en fleksibel, holdbar elektronisk prototype, der kan høste energi fra kropsvarme og omdanne den til elektricitet for at drive små elektronik, såsom batterier, sensorer eller LED’er. Enhedens robusthed gør den brugbar selv efter at være blevet gennemboret flere gange og strakt op til 2000 gange. 

Ifølge seniorforfatter Mohammad Malakooti, UW assisterende professor i maskiningeniørkunst:

“Når du placerer denne enhed på din hud, bruger den din kropsvarme til direkte at drive en LED. Så snart du sætter enheden på, lyser LED’en op. Dette var ikke muligt før.”

For at uddybe funktionelt har enheden tre hovedlag. Laget i midten har stive termoelektriske halvledere, der omdanner varme til elektricitet. Disse halvledere er omgivet af 3D-printede kompositter med lav termisk ledningsevne, hvilket forbedrer energikonversionen og reducerer enhedens vægt.

Derudover, for at give udstrækningsdygtighed, ledningsevne og elektrisk selvhelbredelse, er halvlederne forbundet med trykte flydende metalspor. Desuden forbedrer indlejrede flydende metaldråber i de ydre lag varmetransporten til halvlederne og opretholder fleksibiliteten, fordi metallet forbliver flydende ved stuetemperatur.

Mens han talte om fordelene ved teknologien og dens større formål, sagde Mohammad Malakooti følgende:

“Dette kan være særligt nyttigt i datacentre, hvor servere og computere forbruger betydelig elektricitet og genererer varme, hvilket kræver endnu mere elektricitet for at holde dem kølige. Vores enheder kan opfange den varme og genbruge den til at drive temperatur- og fugtighedssensorer.”

Han tilføjede:

“Denne tilgang er mere bæredygtig, fordi den skaber et selvstændigt system, der overvåger forholdene, mens den reducerer det samlede energiforbrug. Derudover er der ingen grund til at bekymre sig om vedligeholdelse, udskiftning af batterier eller tilføjelse af nye ledninger.”

I fremtiden var forskerne optimistiske omkring, at teknologien kunne finde anvendelse i virtual reality-systemer og andre bærbare tilbehør for at skabe varme- og kuldefornemmelser på huden eller forbedre den samlede komfort. 

Tre år før dette, i oktober 2021, havde forskere ved CU Boulder et lignende gennembrud. Vi vil se nærmere på den forskning i det næste segment.

Klik her for at lære om det smarte stof, der omdanner kropsvarme til energi.

Bærbar enhed, der forvandlede kroppen til et batteri

Forskere ved CU Boulder kom op med en ny, lavpris bærbar enhed, der kunne omdanne den menneskelige krop til et biologisk batteri. 

En af de mest tiltalende funktioner ved enheden var, at den var så strækbar, at den kunne bæres som en ring, et armbånd eller enhver anden accessory, der berørte brugerens hud. Den udnyttede en persons naturlige varme – ved at anvende termoelektriske generatorer til at omdanne kroppens interne temperatur til elektricitet. 

Enheden kunne generere omkring 1 volt energi for hver kvadratcentimeter hud – mindre spænding pr. område end de fleste eksisterende batterier leverede, men stadig nok til at drive elektronik som ure eller fitness-trackere. 

Forskerne udnyttede en base lavet af et strækbart materiale kaldet polyimin og derefter fastgjorde en række tynde termoelektriske chips i den base, forbundet alle med flydende metaltråde. Det endelige produkt lignede en krydsning mellem et plastarmbånd og et miniature computer-motherboard eller måske en teknisk diamant-ring.  

Løsningen var fleksibel nok til, at dens kraft kunne forstærkes ved at tilføje flere generatorblokke. En af forskerne sammenlignede løsningen med den måde, vi håndterer Legos på:

“Det er som at samle en masse små Lego-klodser for at lave en stor struktur. Det giver dig mange tilpasningsmuligheder.”

Ultratynd, fleksibel film, der driver næste generations bærbare enheder

En nyere forskning, ledet af et team fra Queensland University of Technology, udviklede en ultratynd, fleksibel film, der kunne drive næste generations bærbare enheder ved hjælp af kropsvarme, hvilket eliminerer behovet for batterier.

Derudover kunne teknologien køle elektroniske chips, hvilket hjælper smartphones og computere med at køre mere effektivt.

Ifølge Professor Zhi-Gang Chen, hvis teams nye forskning blev offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Science:

“Fleksible termoelektriske enheder kan bæres komfortabelt på huden, hvor de effektivt omdanner temperaturforskellen mellem den menneskelige krop og den omgivende luft til elektricitet.”

Mens han talte om den potentielle anvendelse af denne teknologi, fremhævede Professor Chen, at den kunne anvendes i et snævert rum, såsom inde i en computer eller mobiltelefon, for at hjælpe med at køle chips og forbedre ydeevnen. 

Andre anvendelser omfattede personlig termisk styring, hvor kropsvarme kunne drive et bærbart opvarmnings-, ventilations- og klimaanlæg. Forskerne nævnte nogle udfordringer, der også var gældende for lignende innovationer. Disse udfordringer omfattede begrænset fleksibilitet, kompleks fremstilling, høje omkostninger og utilstrækkelig ydeevne.

Dog tilbød den forskning, vi i øjeblikket diskuterer, nogle løsninger på omkostningsstyring. Mens de fleste undersøgelser på dette område havde fokuseret på bismuthtellurid-baserede termoelektriske materialer, værdsat for deres høje egenskaber til at omdanne varme til elektricitet, introducerede teamet en omkostningseffektiv teknologi til fremstilling af fleksible termoelektriske film ved brug af små krystaller, eller “nano-bindere”, der dannede et ensartet lag af bismuthtellurid-plader, hvilket øgede både effektivitet og fleksibilitet.

Mere specifikt anvendte teamet “solvotermisk syntese”, en teknik der dannede nanokrystaller i et opløsningsmiddel under høj temperatur og tryk, kombineret med “serigrafi” og “sintering”. 

Forskerne skabte en printbar A4-størrelse film med rekordhøj termoelektrisk ydeevne, enestående fleksibilitet, skalerbarhed og lav pris. Serigrafimetoden tillod storskalaproduktion af filmen, mens sintering opvarmede filmene til næsten smeltepunktet, hvilket bandt partiklerne sammen.

Løsningen kunne også fungere med andre systemer, såsom sølvselenid-baserede termoelektriske materialer, som potentielt var billigere og mere bæredygtige end traditionelle materialer.

Afsluttende ord

Succesful energistyring har udviklet sig til den mest kritiske tærskel, der kan gøre eller ødelægge en teknologisk løsning. Energihøstningsteknikker, der udnytter kropsvarme til at drive bærbar teknologi, er den mest lovende tilgang i denne retning, da de sikrer effektivitet uden at kræve ekstern energi eller strøm. De løsninger, der udspringer af disse bestræbelser, er bæredygtige. Med stigende adoption er det nu kun et spørgsmål om tid, før disse løsninger er klar til opskaleret kommerciel produktion, hvilket reducerer omkostninger og forbedrer tilgængeligheden.  

Studierreference:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compressing slippery surface-assembled amphiphiles for tunable haptic energy harvesters. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}