Haptische Energieerzeuger lassen Sie Ihre eigene Batteriebank werden

Sie haben sicherlich die Begriffe Haptische Energie oder Haptisches Feedback gehört. Der Begriff wird in diesen Zeiten der tragbaren Technologie häufig verwendet. Im Jahr 2024, ein riesiges Volumen von 534 Millionen tragbare Geräte wurden weltweit versandt.

Diese Geräte umfassten eine breite Palette von Elektronikartikeln wie Smartwatches, Fitness‑Tracker, Kopfhörer, Extended‑Reality‑Geräte, also VR‑Headsets und Augmented‑Reality‑Brillen. Mit dem Aufkommen von tragbarer Elektronik hat sich ein Paradigma der haptischen Energie entwickelt.

In den letzten vier Jahrzehnten war die Hauptkommunikationsmethode in der Elektronik auditives oder visuelles Feedback, wobei die Hauptsprache Klang und Licht war. Heute ist haptisches Feedback ein weiterer Weg, wie Elektronik mit Menschen über den Tastsinn kommunizieren kann.

Smartphones, Smartwatches, Fitness‑Tracker – all diese tragbaren, batteriebetriebenen Systeme könnten haptisches Feedback nutzen. Als Anwendung hat es bereits einen festen Platz in Verbraucher‑, Industrie‑ und Automobilanwendungen, wie Smartphones, Tablets, Mäusen, Geldautomaten und Infotainmentsystemen im Auto. 

Jetzt hat ein Forscherteam erfolgreich haptische Energie auf Wearables angewendet¹. Während sie über den Zweck ihrer Forschung und die Bedeutung dessen sprachen, sagte Saad Khan, Co‑korrespondierender Autor und INVISTA‑Professor für Chemie‑ und Biomolekulare Ingenieurwissenschaften an der NC State, Folgendes:

“Wir begannen dann eine Reihe von Experimenten, um zu untersuchen, ob wir Amphiphile verwenden können, um Materialien zu modifizieren und sie in haptische Energieerzeuger zu integrieren.” 

Um mehr über die Forschung und ihre Errungenschaften zu erfahren, werden wir im nächsten Abschnitt tiefer darauf eingehen. 

Komprimierung von rutschigen, Oberflächen‑assemblierte Amphiphilen für einstellbare haptische Energieerzeuger

Quelle: NC State University

Die Forscher erkannten, dass ein wiederkehrendes Problem bei der Gewinnung von Energie aus Umgebungsbewegungen darin bestand, dass Geräte eine hohe Ernteeffizienz und ein positives Benutzererlebnis aufrechterhalten müssen, wenn ihre Oberfläche dynamischer Kompression ausgesetzt ist. Die Forscher zeigten, dass kleine Amphiphile verwendet werden könnten, um Reibung, Haptik und triboelektrische Eigenschaften zu modulieren, indem sie sie in spezifischen Konformationen auf der Oberfläche von Materialien anordnen. Amphiphile sind Moleküle, die häufig in Verbraucherprodukten verwendet werden, um die Reibung gegen menschliche Haut zu reduzieren. Zum Beispiel werden diese Moleküle oft in Windeln eingearbeitet, um Scheuern zu verhindern. 

Während sie über die Zielsetzung und die Motivation sprach, die sie antrieben, sagte Lilian Hsiao, korrespondierende Autorin des Papers und außerordentliche Professorin für Chemie‑ und Biomolekulare Ingenieurwissenschaften an der North Carolina State University, Folgendes:

“Wir wollten ein Modell entwickeln, das uns ein detailliertes grundlegendes Verständnis darüber gibt, wie verschiedene Amphiphile die Oberflächenreibung verschiedener Materialien beeinflussen.”

Die Forscher stellten fest, dass Moleküle, die unter Druck mehrere Gleitflächen bilden, insbesondere durch π‑π‑Stacking, 80 bis 90 % geringere Reibung erzeugen als solche, die ungeordnete Mesostrukturen bilden. Infolgedessen schlugen die Forscher einen Skalierungsrahmen für ihre Reibungsreduktions‑Eigenschaften vor, der Haftung und Kontaktmechanik berücksichtigt.

Bei der Verwirklichung ihres Ziels erkannten die Forscher, dass amphiphil‑beschichtete Oberflächen dazu neigen, Verschleiß zu widerstehen und ein deutliches taktiles Empfinden zu erzeugen, wobei Menschen glattere Materialien bevorzugen. Auf einer anderen Ebene konnten die Forscher die triboelektrische Ausgabe durch die Verwendung von Amphiphilen mit hoher Elektronenaffinität ebenfalls steigern.

Insgesamt stellten Moleküle, die sich unter Druck in gleitende Ebenen selbst organisieren, einen einfachen Weg dar, die Entwicklung von haptischen Energieerzeugern im großen Maßstab voranzutreiben. Um es praxisnäher zu erklären, fanden die Forscher heraus, dass es möglich war, Amphiphile zu verwenden, um tragbare Stoffe mit rutschigen Oberflächen zu schaffen, die sich angenehm auf der menschlichen Haut anfühlen. 

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass einige Amphiphile aufgrund ihrer inhärenten elektronischen Eigenschaften als Elektronendonoren wirken können. Diese elektrondonierenden Amphiphile, wenn sie in tragbare Materialien integriert werden, führten zu einem komfortablen Material, das Strom erzeugen kann, wenn es durch Reibung gegen menschliche Haut oder andere Oberflächen erzeugt wird.  

Zusammenfassend, wie Hsiao hervorhob, fanden die Forscher in ihren Proof‑of‑Concept‑Tests heraus, dass diese Amphiphil‑Materialien nicht nur gut auf der Haut fühlen, sondern bis zu 300 Volt erzeugen konnten, was für ein kleines Stück Material bemerkenswert war.

Laut Saad Khan:

“Wir sind daran interessiert, mehr zu tun, um diese Materialien zu nutzen, zum Beispiel zu erforschen, wie sie in bestehende haptische Geräte integriert werden können. Und wir sind offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um neue Anwendungen zu identifizieren.”

Während Forschung und industrielle Adoption Hand in Hand gehen müssen, gibt es mehrere Unternehmen, die bereits intensiv an Produkten forschen, die Energie vom Körper ernten, um tragbare Tech‑Geräte zu betreiben. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir ein paar solcher Pionierunternehmen, die von derartigen Forschungen profitieren könnten. 

1. Medtronic PLC

Eines der Unternehmen, das intensiv mit tragbarer Technologie arbeitet Medtronic. Dieser große börsennotierte Med‑Tech‑Riese ist vielleicht einer der am besten positionierten, um haptische Energieerzeuger zu nutzen. 

Eines der bedeutendsten Angebote von Medtronic ist der BioButton, ein multifunktionaler, medizinisch‑klassifizierter Wearable, der für intelligentes Patienten‑Monitoring entwickelt wurde. Er liefert Trenddaten zu wichtigen Vitalzeichen und Biometrics und dient als Frühindikator für den Patienten‑Abbau.

Entwickelt für die kontinuierliche Überwachung der wichtigsten Indikatoren für den Patienten‑Abbau, kann das Gerät die Ruhe‑Atemfrequenz, die Ruhe‑Herzfrequenz, die Hauttemperatur und eine Reihe von Biometrics messen. Das Wearable ermöglichte es Forschern, Trenddaten zu untersuchen, um Kliniker dabei zu unterstützen, Patienten zu identifizieren, die möglicherweise klinische Intervention benötigen und solche, die bereit für die Entlassung sind.

Im Jahr 2022 ging Medtronic eine strategische Partnerschaft mit BioIntelliSense ein, einem Unternehmen für kontinuierliches Gesundheitsmonitoring und klinische Intelligenz, für die exklusiven US‑Krankenhaus‑ und 30‑Tage‑Post‑Akut‑Krankenhaus‑zu‑Heim‑Vertriebsrechte des BioButton. 

Während der Ankündigung der Partnerschaft sagte Frank Chan, Ph.D., Präsident des Patient Monitoring‑Geschäfts, das Teil des Medical Surgical Portfolio bei Medtronic war, Folgendes:

“Unsere Vision ist es, Kliniker und Patienten mit umsetzbaren Erkenntnissen zu befähigen, die Pflege zu personalisieren – jederzeit, überall. Durch unsere Zusammenarbeit mit BioIntelliSense unterstützen wir kontinuierliche, vernetzte Pflege vom Krankenhaus bis nach Hause und erweitern unsere Reichweite, um mehr Patienten an mehr Orten als je zuvor zu helfen.”

Als eines der bedeutendsten Med‑Tech‑Unternehmen der Welt ist Medtronic vielleicht am besten positioniert, von Forschung wie der von uns diskutierten zu profitieren. Im Mai 2024 gab Medtronic Finanzergebnisse für das vierte Quartal und das Geschäftsjahr 2024 bekannt. Das Unternehmen meldete einen Q4‑Umsatz von 8,6 Milliarden $, ein Anstieg von 0,5 % wie berichtet und 5,4 % organisch. Das Unternehmen meldete einen FY 24‑Umsatz von 32,4 Milliarden $, ein Anstieg von 3,6 % wie berichtet und 5,2 % organisch. 

2. Philips

Wie Medtronic hat auch ein weiterer Technologieriese, der viel F&E in die Entwicklung modernster Wearable‑Technologie investiert, Philips. Die patienten‑getragenen Monitoring‑Lösungen von Philips geben den Patienten die Freiheit, sich im Versorgungsbereich oder im Krankenhaus zu bewegen.

Entwickelt für Komfort, nutzen Philips‑Patienten‑Geräte drahtlose Technologie, um Daten und Alarme dorthin zu übertragen, wo sie benötigt werden, etwa in eine zentrale Pflegestation, einen Fernbeobachtungsbereich oder das mobile Gerät eines Pflegenden. Die Geräte bieten eine Reihe von Messfähigkeiten, um den klinischen Bedürfnissen von Patienten in der allgemeinen und intermediären Pflege gerecht zu werden. 

Der Markenname des Produkts lautet Intellivue MX40. Nutzer können das IntelliVue MX40 mit Einweg‑AA‑Batterien oder einer einzigen wiederaufladbaren Philips‑Batterie betreiben. Das Gerät unterstützt die Möglichkeit, abgeleitete 12‑Kanal‑EKG‑Informationen zu erhalten, während es kontinuierlich ST‑ und QT‑Wellen, FAST‑SpO₂ und Impedanz‑Atmung überwacht. Mit bis zu 5 Bildschirmformaten sind die benötigten Informationen mit einem einzigen Touch leicht verfügbar.

Das Gerät verfügt über eine drahtlose Kurzstreckenverbindung zu IntelliVue‑Monitoren, um Vitalparameter zu erfassen oder für eine umfassendere Ansicht. Das Gerät besitzt einen einzigartigen Kabelanschluss, der die Ansammlung von Schmutz und Flüssigkeiten reduziert, und ein Gehäusedesign, das hochgradige Desinfektionsmittel, einschließlich periodischer Sterilisation, standhält.

Laut den zuletzt verfügbaren Informationen verzeichnete Philips im Jahr 2023 Umsätze in Höhe von 18,2 Milliarden Euro mit einem vergleichbaren Umsatzwachstum von 6 % und einer bereinigten EBITA‑Marge von 10,6 % 

Während große Technologiekonzerne wie Medtronic und Philips Produkte entwickeln, die erheblich von haptischen Energieerzeugern profitieren können, arbeiten mehrere andere Forschungsorganisationen entlang derselben Linien. 

In den kommenden Abschnitten diskutieren wir einige dieser Forschungsstudien, die das Potenzial haben, Anwendungen in diesem Feld zu revolutionieren.

Elektronischer Prototyp, der Energie aus Körperwärme gewinnt und in Strom umwandelt

Im September 2024 berichteten Forscher der University of Washington über die Entwicklung eines flexiblen, langlebigen elektronischen Prototyps, der Energie aus Körperwärme gewinnen und in Strom umwandeln kann, um kleine Elektronik wie Batterien, Sensoren oder LEDs zu betreiben. Die Widerstandsfähigkeit des Geräts hält es nutzbar, selbst nachdem es mehrere Male durchstochen und bis zu 2000 mal gedehnt wurde. 

Laut dem Senior‑Autor Mohammad Malakooti, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UW:

“Wenn Sie dieses Gerät auf Ihre Haut legen, nutzt es Ihre Körperwärme, um direkt eine LED zu betreiben. Sobald Sie das Gerät anlegen, leuchtet die LED. Das war vorher nicht möglich.”

Um die Funktionsweise zu erläutern, hat das Gerät drei Hauptschichten. Die mittlere Schicht enthält starre thermoelektrische Halbleiter, die Wärme in Strom umwandeln. Diese Halbleiter sind von 3D‑gedruckten Verbundwerkstoffen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit umgeben, was die Energieumwandlung verbessert und das Gewicht des Geräts reduziert.

Um Dehnbarkeit, Leitfähigkeit und elektrische Selbstheilung zu gewährleisten, sind die Halbleiter mit gedruckten Flüssigmetall‑Spuren verbunden. Darüber hinaus verbessern in den äußeren Schichten eingebettete Flüssigmetall‑Tröpfchen den Wärmetransfer zu den Halbleitern und erhalten die Flexibilität, da das Metall bei Raumtemperatur flüssig bleibt.

Während er über die Vorteile der Technologie und ihren größeren Zweck sprach, sagte Mohammad Malakooti Folgendes:

“Dies könnte besonders hilfreich in Rechenzentren sein, wo Server und Computer erhebliche Strommengen verbrauchen und Wärme erzeugen, was noch mehr Strom erfordert, um sie zu kühlen. Unsere Geräte können diese Wärme einfangen und wiederverwenden, um Temperatur‑ und Feuchtigkeitssensoren zu betreiben.”

Er fügte hinzu:

“Dieser Ansatz ist nachhaltiger, weil er ein eigenständiges System schafft, das Bedingungen überwacht und gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch reduziert. Außerdem muss man sich keine Sorgen um Wartung, Batteriewechsel oder neue Verkabelung machen.”

In Zukunft waren die Forscher optimistisch, dass diese Technologie in virtuellen Realitätssystemen und anderen tragbaren Accessoires Anwendung finden könnte, um heiße und kalte Empfindungen auf der Haut zu erzeugen oder den Gesamtkonfort zu verbessern. 

Drei Jahre zuvor, im Oktober 2021, erzielten Forscher an der CU Boulder einen ähnlichen Durchbruch. Wir werden diese Forschung im nächsten Abschnitt untersuchen.

Klicken Sie hier, um mehr über das intelligente Gewebe zu erfahren, das Körperwärme in Energie umwandelt.

Tragbares Gerät, das den Körper in eine Batterie verwandelte

Forscher an der CU Boulder entwickelten ein neues, kostengünstiges Wearable, das den menschlichen Körper in eine biologische Batterie verwandeln konnte. 

Eine der verlockendsten Eigenschaften des Geräts war, dass es dehnbar genug war, um als Ring, Armband oder jedes andere Accessoire getragen zu werden, das die Haut des Trägers berührt. Es nutzte die natürliche Wärme einer Person – mithilfe von thermoelektrischen Generatoren, um die innere Körpertemperatur in Strom umzuwandeln. 

Das Gerät konnte etwa 1 Volt Energie pro Quadratzentimeter Hautfläche erzeugen – weniger Spannung pro Fläche als die meisten bestehenden Batterien, aber dennoch ausreichend, um Elektronik wie Uhren oder Fitness‑Tracker zu betreiben. 

Die Forscher nutzten als Basis ein dehnbares Material namens Polyimin und dann klebten eine Reihe dünner thermoelektrischer Chips in diese Basis, die alle mit Flüssigmetall‑Drähten verbunden wurden. Das Endprodukt sah aus wie eine Kreuzung zwischen einem Plastikarmband und einer Miniatur‑Computer‑Platinen oder vielleicht ein technisches Diamantring.  

Die Lösung war flexibel genug, dass ihre Leistung durch das Hinzufügen weiterer Generator‑Blöcke gesteigert werden konnte. Einer der Forscher verglich die Lösung mit der Art, wie wir mit Legos umgehen:

“Es ist, als würde man eine Menge kleiner Lego‑Teile zusammenbauen, um eine große Struktur zu schaffen. Es bietet viele Anpassungsoptionen.”

Ultradünner, flexibler Film, der nächste Generation von Wearables antreibt

Eine neuere Forschung, geleitet von einem Team der Queensland University of Technology, entwickelte einen ultradünnen, flexiblen Film, der nächste‑Generation‑Wearables mit Körperwärme antreiben kann und damit Batterien überflüssig macht.

Zusätzlich könnte die Technologie elektronische Chips kühlen, wodurch Smartphones und Computer effizienter laufen.

Laut Professor Zhi‑Gang Chen, dessen Team neue Forschung in der angesehenen Zeitschrift Science:

“Flexible thermoelektrische Geräte können bequem auf der Haut getragen werden, wo sie effektiv den Temperaturunterschied zwischen dem menschlichen Körper und der umgebenden Luft in Strom umwandeln.”

Während er über die potenzielle Anwendung dieser Technologie sprach, betonte Professor Chen, dass sie in engen Räumen, wie innerhalb eines Computers oder Mobiltelefons, eingesetzt werden könnte, um Chips zu kühlen und die Leistung zu verbessern. 

Weitere Anwendungen umfassen das persönliche thermische Management, bei dem Körperwärme ein tragbares Heiz‑, Lüftungs‑ und Klimasystem betreiben könnte. Die Forscher nannten einige Herausforderungen, die auch für ähnliche Innovationen gelten. Diese Herausforderungen umfassen begrenzte Flexibilität, komplexe Fertigung, hohe Kosten und unzureichende Leistung.

Allerdings bot die von uns diskutierte Forschung einige Lösungen im Kostenmanagement. Während die meisten Forschungen in diesem Bereich sich auf bismuttelluridbasierte Thermoelektrika konzentrierten, die für ihre hohen Eigenschaften zur Umwandlung von Wärme in Strom geschätzt werden, führte das Team eine kostengünstige Technologie zur Herstellung flexibler thermoelektrischer Filme ein, indem es winzige Kristalle oder „Nano‑Binder“ nutzte, die eine konsistente Schicht aus Bismuttellurid‑Blättern bildeten und sowohl Effizienz als auch Flexibilität steigerten.

Genauer gesagt setzte das Team „solvothermale Synthese“ ein, eine Technik, die Nanokristalle in einem Lösungsmittel bei hoher Temperatur und Druck bildet, kombiniert mit „Siebdruck“ und „Sintern“. 

Die Forscher stellten einen druckbaren Film im A4‑Format mit rekordhoher thermoelektrischer Leistung, außergewöhnlicher Flexibilität, Skalierbarkeit und niedrigen Kosten her. Das Siebdruckverfahren ermöglichte die großflächige Filmproduktion, während das Sintern die Filme fast zum Schmelzpunkt erhitzte und die Partikel miteinander verband.

Die Lösung könnte auch mit anderen Systemen funktionieren, wie silberselenid‑basierten Thermoelektrika, die potenziell günstiger und nachhaltiger sind als herkömmliche Materialien.

Abschließende Worte

Erfolgreiches Energiemanagement hat sich als die kritischste Schwelle entwickelt, die eine technologische Lösung zum Erfolg oder Misserfolg führen kann. Energiesammeltechniken, die Körperwärme nutzen, um Wearable‑Technik zu betreiben, sind der vielversprechendste Ansatz in dieser Richtung und gewährleisten Effizienz, ohne externe Energie oder Strom zu benötigen. Die aus diesen Bemühungen resultierenden Lösungen sind nachhaltig. Mit zunehmender Akzeptanz ist es jetzt nur noch eine Frage der Zeit, bis diese Lösungen für die großskalige kommerzielle Produktion geeignet sind, Kosten senken und die Verfügbarkeit verbessern.  

Studienreferenz:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Komprimierung von rutschigen, Oberflächen‑assemblierte Amphiphilen für einstellbare haptische Energieerzeuger. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}