Thermoelektrisk Enhedsgennembrud Baner Vejen for Avancerede Wearables

Et forskerteam fra Queensland University of Technology (QUT) har udviklet en fleksibel og ekstremt tynd film til at drive wearables ved kun at bruge vores kropsvarme, og dermed fjerne behovet for batterier. 

Den nye teknologi kunne også bruges til at køle elektroniske chips i smartphones og computere, hvilket hjælper dem med at køre mere effektivt samt forbedrer deres stabilitet.

Gennembruddet, ifølge professor Zhi-Gang Chen, den grundlæggende direktør for ARC Research Hub i Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), tackler en central udfordring i at skabe en termoelektrisk enhed, der omdanner kropsvarme til strøm. Enheden har potentiale til at blive en bæredygtig energikilde til wearables.

Når man taler om fleksible termoelektriske enheder, forklarede professor Chen, at:

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

Bygning af en Fremragende Termoelektrisk Wearable Enhed

Enheder, der kan omdanne kropsvarme til energi, er et emne med enorm interesse og udforskning, men står i øjeblikket over for udfordringer som høje omkostninger, kompleks fremstilling, begrænset fleksibilitet og utilstrækkelig ydeevne, hvilket forhindrer masseproduktion og udbredelse. 

Kilde: Queensland University of Technology

I den seneste undersøgelse publiceret i tidsskriftet Science, introducerede QUT-teamet en omkostningseffektiv metode til at skabe fleksible termoelektriske film. Til dette brugte de små krystaller eller ‘nanobinders’, der danner et ensartet lag af bismuthtelluridark, hvilket øger både fleksibilitet og effektivitet.

Bismuthtellurid (Bi2Te3) er et populært materiale, som forskere bruger til at bygge sådanne enheder. Det grå pulver er en forbindelse af bismuth og tellur. Den kemisk stabile halvleder udviser fremragende egenskaber, der omdanner varme til elektricitet, hvilket gør den ideel til lavstrømsapplikationer som bevægelse, pulsmåling og temperaturmonitorer.

Så skabte QUT-teamet en printbar film i A4-størrelse “med rekordhøj termoelektrisk ydeevne, enestående fleksibilitet, skalerbarhed og lav pris, hvilket gør den til en af de bedste fleksible termoelektriske materialer tilgængelige,” sagde professor Chen.

Den printbare film fra QUT-teamet består af Bi2Te3-baserede nanoplader som højt orienterede korn og Te-nanorods som “nanobinders”. 

Den anvendte teknik var “solvotermisk syntese,” som danner nanokrystaller i et opløsningsmiddel under høj temperatur og tryk. Denne teknik blev kombineret med “sintering,” som opvarmer filmene til næsten smeltepunktet for at binde partiklerne sammen, og “silkeskærmprintning,” som muliggør storskalaproduktion af film.

Metoden, som teamet anvendte, kunne også fungere med andre uorganiske systemer som sølvselenid (Ag2Se)-baserede termoelektriske materialer, som potentielt er billigere og mere bæredygtige end konventionelle materialer, hvilket viser metodens brede anvendelighed.

“Denne fleksibilitet i materialer viser de brede muligheder, vores tilgang giver for at fremme fleksibel termoelektrisk teknologi.”

– Studieens første forfatter, Wenyi Chen

Enheden opnåede, ifølge undersøgelsen, en normaliseret effekt tæthed på >3 μW cm−2 K−2, hvilket teamet angiver som “en af de højeste blandt screen-printed enheder.” 

Med dette giver den seneste forskning en kraftfuld løsning til wearables som smartwatches og personlig termisk styring. Ud over at forsyne wearables med strøm, kan disse termoelektriske enheder også anvendes i trange rum, såsom inde i en mobiltelefon, for at hjælpe med at køle chips og forbedre ydeevnen. 

For eksempel kan filmen, når den anvendes inde i en enhed, sænke chiptemperaturen med op til 11,7 Kelvin, hvilket hjælper med at opretholde optimal ydeevne i elektroniske enheder. 

Hvis teamet med succes forbedrer ydeevnen af denne fleksible elektriske enhed, vil de kunne forsyne fremtidens smartphones direkte, udtalte Chen i den officielle video med titlen “Gennembrud bringer kropsvarme-drevne wearables tættere på virkeligheden,” postet på universitetets YouTube-kanal.

Andre potentielle anvendelser af enheden omfatter klimaanlæg og ventilation. QUT-forskningsholdet forestiller sig også brug af termoelektriske enheder i smart tøj og bilkomponenter.

Dette er kun begyndelsen; i næste skridt vil teamet fokusere på at optimere teknologiens ydeevne og skalere den. At kommercialisere teknologien kræver nemlig at overvinde udfordringerne med omkostningseffektivitet i stor skala, holdbarhed og integration med eksisterende enheder.

Yderligere forskning og fortsat udvikling vil hjælpe disse enheder med at revolutionere energieffektiviteten i forskellige sektorer, fra forbrugerelektronik til medicinske og automotive applikationer.

Klik her for at lære, hvordan sundheds-wearables fremmer forebyggende pleje.

Fremskridt inden for Wearable Teknologi

I dagens teknologisk avancerede verden er wearables dukket op som en populær og yderst gavnlig innovation. 

Wearables er simpelthen mobile elektroniske enheder, der er designet til at blive båret på kroppen eller fastgjort til tøj. Nogle af de almindelige typer af wearable-teknologi inkluderer smartwatches, smartbriller og smart smykker som ringe og armbånd. Disse enheder sporer, analyserer og overfører personlige data.

En af de mest fremtrædende anvendelser af wearables er blevet fundet inden for sundhedssektoren. De kan bruges til at overvåge kropstemperatur, blodtryk, puls og andre vitale tegn. Anvendelsen af disse enheder udvides yderligere til fysiologiske sygdomme som hypertension og muskelsygdomme samt neurokognitive lidelser som Alzheimers sygdom og Parkinsons sygdom. Wearables anvendes også som et lægemiddelleveringssystem, der hjælper med at personalisere sundhedspleje. 

Forskellige typer af wearable-enheder bliver i øjeblikket brugt inden for sundhedssektoren. Dette inkluderer hudbaserede wearables såsom e-skin, wearable veste, smarte ringe, øretelefoner og biofluidbaserede enheder, der udnytter spyt, tårer og urin. 

Udover sundhedssektoren bruges wearables til at kommunikere med andre, foretage betalinger og spore aktivitetsniveauer, samt inden for livsstil, gaming, sport, fitness, sikkerhed og forsvarssektoren.

Gennem årene har wearable-teknologi udviklet sig på forskellige måder. For det første søger forskere og virksomheder altid efter bedre materialer til at bygge disse enheder. Fleksible, strækbare materialer og bløde, ultra-tynde designs gør det muligt at bære enhederne komfortabelt og bevare deres funktionalitet.

For eksempel er gallium-baserede flydende metaller, som har høj ledningsevne og biokompatibilitet, førende inden for bioelektronik, der passer bedre til kroppen.

Hvad angår design, har teknologien udviklet sig markant fra konventionelle metoder, med et større fokus på at integrere dem sømløst med den menneskelige krop. E-tatoveringer er et godt eksempel; de er ekstremt tynde, hudbløde elektronik, der tilpasser sig huden og kan ikke-invasivt digitalisere fysiologisk og psykologisk information.

Miniaturisering af disse enheder, sammen med printet elektronik og intelligente stoffer, har ført til sensorer, der kan overvåge en række fysiske parametre, mens elektroder indlejres i tekstiler for at måle aktivitet. For eksempel overvåger wearable svedsensorer kontinuerligt og ikke-invasivt sundhedsindikatorer gennem sved for at styrke præcisionsmedicin. 

Kilde: MDPI

Der sker også mange fremskridt inden for wearable smarte kemiske sensorer, som får stigende anvendelse inden for sundhedspleje, miljøovervågning og sikkerhedsvurdering. 

Forskellige innovative tilgange er blevet anvendt til sensor-design og fremstilling, med et sådant system designet til at detektere NO2 ved at inkorporere en polyvinylalkohol/borax/agarose/NaNO3 elektrolyt og multi-vægget kulnanorør elektroder på guld-nanosheets. Systemet viser forbedret ydeevne og selvreparerende egenskaber, hvilket gør det ideelt til wearable-applikationer.

Overvindelse af Begrænsninger ved Wearable Teknologi

Med alle disse innovationer, der hjælper wearable-enheder med at blive bedre og mere effektive, har de transformeret forskellige industrier, især sundhedssektoren. Dog lider de af begrænsninger som stabilitet og privatliv. 

For eksempel kan dataene fra sensorerne i disse wearables opleve forvrængning og støj på grund af konstant kropsbevægelse. 

Batterier, der bruges i wearables, udgør en anden væsentlig udfordring. Begrænsningerne i strømkilder har fået forskere til at undersøge forskellige løsninger, såsom piezoelektriske nanogeneratorer (PENG), som fungerer som selvforsynende sensorer, og triboelektriske nanogeneratorer (TENG), som fungerer som miniaturiserede energihøstere.

Thermoelektriske generatorer har især fået stor opmærksomhed inden for wearable-teknologi. Tilbage i 2017 udgav forskere fra Zhejiang University og Xidian University en artikel om designet af en wearable termoelektrisk generator til at udnytte den menneskelige krops energi.

Ligesom den seneste forskning anvendte denne også Bi2Te3-baseret termoelektrisk materiale til at skabe en enhed, der kunne generere en spænding på 48 mV ved en temperaturforskel på 12 K. Når den monteres på den menneskelige håndledshud, var generatorens udgangseffekt 130,6 nW ved en omgivelsestemperatur på 25 °C, hvilket demonstrerer dens potentiale for udnyttelse af menneskelig kropsvarme og udvikling af selvforsynende mobile wearables.

Endnu en undersøgelse gjorde fremskridt i designet af termoelektriske generatorer (TEG’er) til udnyttelse af kropsvarme. Problemet er, at der er en temperaturforskel på 10-15°C mellem kropstemperaturen og omgivelsestemperaturen, men kun en lille del passerer gennem en wearable TEG på grund af hudens termiske modstand.

For at overvinde udfordringerne for wearable TEG’er blev der udviklet en omfattende quasi-3D analytisk model, og derefter blev en mikrobølgebehandlingsteknik anvendt til at syntetisere højtydende termoelektriske nanokompositter, hvilket førte til en kraftig reduktion af den termiske ledningsevne og resulterede i TEG’er med 4-7 gange højere effekt tæthed end kommercielle TEG’er på den menneskelige krop.

Kun i år har flere forskningsstudier blevet offentliggjort med fokus på termoelektriske enheder til wearables. 

For nogle måneder siden udviklede forskere fra University of Washington også en yderst fleksibel og blød prototype der kan udnytte energi fra kropsvarme og omdanne den til elektricitet, som derefter kan drive små elektroniske enheder. Til deres fleksible termoelektriske enheder (TED’er) brugte UW-teamet 3D bløde arkitekturer, stive halvledere, multifunktionelle kompositter og selvhelbredende flydende metalledere.

Ud over energihøstning har fokus i alle disse studier været på udviklingen af letvægts- og fleksible termoelektriske materialer, design af tilpasselige overflader til forskellige kropsdele, forbedring af wearables’ funktionalitet samt opnåelse af omkostningseffektivitet og skalerbarhed.

Det Hurtigt Voksende Wearable Marked

Fremskridtet inden for wearable-teknologi og den deraf følgende funktionalitetsforbedring har øget adoptionen af disse enheder. Den voksende interesse for wearables har markedet projiceret til at vokse forbi $150 milliarder før dette årti er omme.

Markedet for wearables som smartwatches og fitness-trackere har især været stigende i længere tid. De oplevede et boom under pandemien, da personlig sundhed blev alles fokus. Disse enheder tilføjer også et stigende antal målinger, og efterhånden som de nærmer sig et medicinsk udstyr, adopterer flere og flere forbrugere dem.

Udover fitness og sundhedssektoren viser teknologigiganter særlig interesse for virtuelle, udvidede og blandede virkeligheds-wearables (VR, AR & MR). Smart tøj og e-tekster har også fået opmærksomhed, men fortsætter med at møde udfordringer med hensyn til produktionsskalerbarhed og produktøkonomi. 

Interessant nok forventes markedet for wearable betalingsservices at vokse i et stærkt tempo, med en CAGR på 13,6% til $120 milliarder. Denne vækst drives af adoptionen af near-field communication (NFC) i smartphones, fitness-trackere og andre wearables,

Wearable-teknologi produkttyper omfatter desuden elektroniske hudpatches, brystremme, smarte kontaktlinser og wearable kameraer, som også er af interesse.

Ifølge en seneste rapport forventes forsendelser af wearable-enheder globalt at vokse med mere end 6% år for år (YoY) i år til næsten 538 millioner enheder. Denne vækst drives af den forbedrede økonomi og den stigende adoption af wearables i nye regioner.

Denne vækst vil dog være ujævn på tværs af sektorerne, hvor wearables, der udgør over 60% af wearables-markedet, forventes at få et løft, efterhånden som priserne stabiliseres. Smartwatches forventes derimod at se et fald på 3%, det første YoY-fald nogensinde, selvom de forventes at komme sig til 4,8% vækst næste år. Dette skyldes stigende priser og minimale designændringer.

Fremvoksende Wearable Enheder 

Når det gælder fremvoksende wearable-enheder, leder fitness- og sundhedssektoren an. 

Inden for sundhedspleje transformerer wearable elektrokardiogram (ECG) enheder, som findes i smartwatches og patches, fjernkardiologisk pleje. Disse enheder parres med apps, der gemmer ECG-data, som læger kan gennemgå fjernbetjent og derefter levere proaktiv sundhedsstyring, hvilket fører til sundere livsstil. 

Nutidens wearables muliggør også kontinuerlig indsamling af vitale tegn ved hjælp af avancerede sensorer, der giver realtidsdata om brugerne. For eksempel giver kontinuerlig glukoseovervågning (CGM) realtidsindsigt i blodsukkerniveauer, så patienter kan overvåge deres helbred fra hjemmets komfort.

Et stigende fokus blandt virksomheder ses også på pulsmåling. Smartwatches som Casio G-Shock Rangeman er udstyret med en pulsmåler, der præcist kan registrere kropsbevægelse samt ændringer i det naturlige miljø ved hjælp af GPS og sensorer. Så er der Garmin‘s (GRMN ) pulsmålere, som har et komfortabelt design, der gør det muligt for kvinder at fastgøre dem direkte på deres sport-bh’er.

Som vi kan se, er brugervenlighed bestemt i fokus for teknologivirksomheder, der udvikler wearables. Dette gælder også for Oura smarte ringe, som kan bæres på en finger. Båndet er udstyret med en 3D-accelerometer til at bestemme bevægelse, en NTC-sensor til at observere din kropstemperatur og en PPG-sensor til at spore din puls. 

Derefter er der Evie Smart Ring, som har taget en kvinde-først tilgang til designet ved at muliggøre sporing af søvn, hjertehelbred og menstruationscyklusser. Wearable biosensorer tilbyder derimod lovende muligheder for stresshåndtering ved at opdage subtile ændringer i biomarkører som kortisolniveauer. 

Virksomheder bygger også hovedtelefoner, der guider brugerne under træning, mens specielle handsker som GyroGlove er skabt til Parkinson-patienter for at reducere tremor og forbedre livskvaliteten.

I underholdningsverdenen gør wearables som Xreal Air det muligt for brugere at se indhold og spille spil, mens Meta‘s (META ) smarte briller muliggør indholdsoprettelse og deling. Så er der wearables som Ai Pin, som kører på en otte-kerne, 2,1 GHz Qualcomm (QCOM ) -processor og kan tage fotos, sende tekstbeskeder og besvare opkald.

Klik her for at lære om termisk ørering.

Virksomheder, der Dominerer Wearable Sektoren

Når det kommer til virksomheder, har Apple (AAPL ) ledet området takket være sin robuste portefølje af smarte produkter som Apple Watch. Nøgle sundhedsmetrikker, som uret dækker, inkluderer puls, respirationsrate, håndledstemperatur, blodilttetilstand og søvnlængde.

Verdens største virksomhed målt på markedsværdi på $3,75 trillion har i øjeblikket aktier, der handles til $248, op 28,88% i år. Apple har en EPS (TTM) på 6,07 og en P/E (TTM) på 40,88 med en udbytteafkast på 0,40%. For kvartalet, der sluttede den 28. september 2024, hvor virksomheden lancerede iPhone 16-serien, AirPods 4 og Apple Watch Series 10 med funktioner for hørelse og søvnapnø-detektion, offentliggjorde teknologigiganten offentliggjorde en omsætning på $94,9 milliarder.

Imens indfanger Google wearable-markedet gennem Fitbit, som de erhvervede i 2021. Det kinesiske firma Huawei lancerede også deres TruSense-system i år for at drive kommende wearables. Andre bemærkelsesværdige navne i området inkluderer Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), og Garmin.

Konklusion

Wearable-teknologi er et hurtigt voksende marked, der oplever stor interesse og udvikling. Desuden baner gennembrud i termoelektrisk teknologi, som opnået af QUT-teamet, vejen for en mere avanceret fremtid, hvor disse enheder ikke længere er afhængige af batterier, hvilket fører til letvægts- og mere effektive wearables. 

Men selvom alle disse fremskridt inden for materiale og design driver det globale wearables-marked, er der stadig udfordringer med hensyn til omkostninger, skalerbarhed og holdbarhed. Det er kun gennem yderligere innovation, fortsat samarbejde og øgede investeringer, at alle disse gennembrud kan anvendes i praktiske anvendelser og integreres i vores daglige liv!

Klik her for en liste over top wearable sundhedsovervågningsvirksomheder at investere i.