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Thermoelektrischer Durchbruch treibt Wearables voran
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Ein Forschungsteam der Queensland University of Technology (QUT) hat ein flexibles und extrem dünnes Filmmaterial entwickelt, um tragbare Geräte ausschließlich mit unserer Körperwärme zu betreiben, wodurch Batterien überflüssig werden.
Die neue Technologie könnte auch zur Kühlung von Elektronikchips in Smartphones und Computern eingesetzt werden, wodurch sie effizienter laufen und ihre Stabilität verbessert wird.
Der Durchbruch, so Professor Zhi-Gang Chen, Gründungsdirektor des ARC Research Hub für emissionsfreie Stromerzeugung zur Kohlenstoffneutralität (ZeroPC), löst eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung eines thermoelektrischen Geräts, das Körperwärme in Strom umwandelt. Das Gerät hat das Potenzial, eine nachhaltige Energiequelle für tragbare Elektronik zu sein.
Wenn es um flexible thermoelektrische Geräte geht, erklärte Professor Chen, dass:
„Sie können bequem auf der Haut getragen werden, wo sie effektiv den Temperaturunterschied zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebungsluft in Strom umwandeln.“
Ein herausragendes thermoelektrisches Wearable-Gerät entwickeln
Geräte, die Körperwärme in Energie umwandeln können, sind zwar ein Thema von großem Interesse und intensiver Forschung, stehen jedoch derzeit vor Herausforderungen wie hohen Kosten, komplexer Herstellung, begrenzter Flexibilität und unzureichender Leistung, was eine Massenproduktion und -akzeptanz verhindert.
In der neuesten Studie veröffentlicht in der Fachzeitschrift Science stellte das QUT-Team eine kostengünstige Methode zur Herstellung flexibler thermoelektrischer Filme vor. Dafür nutzten sie winzige Kristalle oder „Nanobinder“, die eine gleichmäßige Schicht aus Bismuttellurid‑Blättern bilden und sowohl Flexibilität als auch Effizienz steigern.
Bismuttellurid (Bi2Te3) ist ein beliebtes Material, das von Forschern zum Bau solcher Geräte verwendet wird. Das graue Pulver ist eine Verbindung aus Bismut und Tellur. Der chemisch stabile Halbleiter weist hervorragende Eigenschaften auf, die Wärme in Strom umwandeln, und ist damit ideal für Anwendungen mit geringem Energiebedarf wie Bewegungs‑, Herzfrequenz‑ und Temperaturmessungen.
So hat das QUT-Team ein druckbares Filmformat der Größe A4 entwickelt, „mit rekordhoher thermoelektrischer Leistung, außergewöhnlicher Flexibilität, Skalierbarkeit und niedrigen Kosten, was es zu einem der besten verfügbaren flexiblen Thermoelektrika macht“, sagte Professor Chen.
Der druckbare Film des QUT-Teams besteht aus Bi2Te3‑basierten Nanoplatten als stark orientierten Körnern und Te‑Nanoröhren als „Nanobinder“.
Die hier verwendete Technik war die „solvothermale Synthese“, bei der Nanokristalle in einem Lösungsmittel unter hoher Temperatur und Druck gebildet werden. Diese Methode wurde kombiniert mit dem „Sintern“, das die Filme fast bis zum Schmelzpunkt erhitzt, um die Teilchen zu verbinden, und dem „Siebdruck“, der die großflächige Filmproduktion ermöglicht.
Die vom Team verwendete Methode könnte auch mit anderen anorganischen Systemen wie silberselenid‑basierten (Ag2Se) Thermoelektrika funktionieren, die potenziell günstiger und nachhaltiger als herkömmliche Materialien sind, was die breite Anwendbarkeit der Technik zeigt.
„Diese Materialflexibilität zeigt die vielfältigen Möglichkeiten, die unser Ansatz für die Weiterentwicklung flexibler thermoelektrischer Technologie bietet.“
– Der Erstautor der Studie, Wenyi Chen
Das Gerät erreichte laut Studie eine normalisierte Leistungsdichte von >3 µW cm⁻² K⁻², was das Team als „unter den höchsten bei siebdruckgefertigten Geräten“ einordnet.
Damit bietet die neueste Forschung eine leistungsstarke Lösung für Wearables wie Smartwatches und persönliche Thermomanagementsysteme. Neben der Stromversorgung der Wearables können diese thermoelektrischen Geräte auch in engen Räumen, etwa im Inneren eines Mobiltelefons, eingesetzt werden, um Chips zu kühlen und die Leistung zu verbessern.
Zum Beispiel kann das Filmmaterial, wenn es in ein Gerät eingebaut wird, die Chiptemperatur um bis zu 11,7 K senken und so die optimale Leistung elektronischer Geräte aufrechterhalten.
Wenn das Team die Leistung dieses flexiblen elektrischen Geräts erfolgreich verbessert, könnten sie zukünftige Smartphones direkt damit versorgen, erklärte Chen im offiziellen Video mit dem Titel „Durchbruch bringt körperwärmebetriebene Wearables der Realität näher“, das auf dem YouTube‑Kanal der Universität veröffentlicht wurde.
Weitere potenzielle Anwendungen des Geräts umfassen Klimaanlagen und Belüftungssysteme. Das QUT-Forschungsteam sieht zudem den Einsatz thermoelektrischer Geräte in intelligenter Kleidung und Automobilkomponenten.
Dies ist jedoch erst der Anfang; im nächsten Schritt wird das Team die Leistungsoptimierung und Skalierung der Technologie fokussieren. Die Kommerzialisierung erfordert schließlich die Überwindung von Herausforderungen hinsichtlich Kosteneffizienz im großen Maßstab, Haltbarkeit und Integration in bestehende Geräte.
Weitere Forschung und kontinuierliche Entwicklung werden dazu beitragen, dass diese Geräte die Energieeffizienz in verschiedenen Bereichen revolutionieren, von Unterhaltungselektronik bis hin zu medizinischen und automobilen Anwendungen.
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Fortschritte in der Wearable‑Technologie
In der heutigen technologisch fortgeschrittenen Welt haben sich Wearable‑Geräte als beliebte und äußerst nützliche Innovation etabliert.
Wearables sind einfach mobile elektronische Geräte, die dazu entwickelt wurden, am Körper oder an Kleidung getragen zu werden. Zu den gängigen Arten von Wearable‑Technologie gehören Smartwatches, Smart‑Brillen und smarter Schmuck wie Ringe und Armbänder. Diese Geräte erfassen, analysieren und übertragen persönliche Daten.
Eine der prominentesten Anwendungen von Wearables wurde im Gesundheitswesen gefunden. Sie können zur Überwachung von Körpertemperatur, Blutdruck, Herzfrequenz und anderen Vitalzeichen eingesetzt werden. Der Einsatz dieser Geräte erstreckt sich zudem auf physiologische Erkrankungen wie Bluthochdruck und Muskelstörungen sowie neurokognitive Störungen wie Alzheimer‑ und Parkinson‑Krankheit. Wearables werden auch als Medikamenten‑Abgabesystem genutzt, um die Gesundheitsversorgung zu personalisieren.
Verschiedene Arten von Wearable‑Geräten werden derzeit im Gesundheitsbereich eingesetzt. Dazu gehören hautbasierte Wearables wie e‑Skin, tragbare Westen, smarte Ringe, Ohrhörer und biofluidbasierte Geräte, die Speichel, Tränen und Urin nutzen.
Neben dem Gesundheitswesen werden Wearables zur Kommunikation, für Zahlungen und zur Verfolgung von Aktivitätslevels eingesetzt, ebenso in den Bereichen Lifestyle, Gaming, Sport, Fitness, Sicherheit und Verteidigung.
Im Laufe der Jahre hat sich die Wearable‑Technologie auf vielfältige Weise weiterentwickelt. Zunächst suchen Forscher und Unternehmen stets nach besseren Materialien für den Bau dieser Geräte. Flexible, dehnbare Materialien und weiche, ultradünne Designs ermöglichen ein komfortables Tragen bei gleichzeitigem Erhalt der Funktionalität.
Beispielsweise führen galliumbasierte Flüssigmetalle mit hoher Leitfähigkeit und Biokompatibilität die Entwicklung von Bioelektronik an, die besser zum Körper passt.
Was das Design betrifft, hat sich die Technologie erheblich von herkömmlichen Ansätzen weiterentwickelt, wobei nun ein stärkerer Fokus auf die nahtlose Integration in den menschlichen Körper liegt. E‑Tattoos sind ein hervorragendes Beispiel dafür; sie sind extrem dünne, hautweiche Elektronik, die sich der Haut anpasst und physiologische sowie psychologische Informationen nichtinvasiv digitalisieren kann.
Die Miniaturisierung dieser Geräte, zusammen mit gedruckter Elektronik und intelligenten Stoffen, hat zu Sensoren geführt, die eine Vielzahl physischer Parameter überwachen können, während Elektroden in Textilien eingebettet werden, um Aktivität zu messen. Beispielsweise überwachen tragbare Schweißsensoren kontinuierlich und nichtinvasiv Gesundheitsindikatoren über Schweiß, um die Präzisionsmedizin zu unterstützen.
Quelle: MDPI
Es werden auch viele Fortschritte bei tragbaren intelligenten Chemosensoren erzielt, die zunehmend im Gesundheitswesen, bei der Umweltüberwachung und der Sicherheitsbewertung Anwendung finden.
Verschiedene innovative Ansätze wurden bei der Sensorentwicklung und -fertigung verfolgt, wobei ein System zur NO₂‑Erkennung ein Polyvinylalkohol/Borax/Agarose/NaNO₃‑Elektrolyt und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren‑Elektroden auf Gold‑Nanoschichten integriert. Das System zeigt verbesserte Leistung und selbstheilende Fähigkeiten, was es ideal für Wearable‑Anwendungen macht.
Überwindung der Einschränkungen von Wearable‑Technologie
Mit all diesen Innovationen, die Wearable‑Geräte besser und effektiver machen, verändern sie verschiedene Branchen, insbesondere das Gesundheitswesen. Sie leiden jedoch unter Einschränkungen wie Stabilität und Datenschutz.
Zum Beispiel können die von den Sensoren dieser Wearables empfangenen Daten aufgrund ständiger Körperbewegungen Verzerrungen und Rauschen aufweisen.
Batterien, die in Wearables verwendet werden, stellen eine weitere bedeutende Herausforderung dar. Die Begrenzungen der Energiequellen haben Forscher dazu veranlasst, verschiedene Lösungen zu erforschen, wie piezoelektrische Nanogeneratoren (PENG), die als selbstversorgende Sensoren fungieren, und triboelektrische Nanogeneratoren (TENG), die als miniaturisierte Energieerntesysteme dienen.
Thermoelektrische Generatoren haben insbesondere im Bereich der Wearable‑Technologie stark an Bedeutung gewonnen. Im Jahr 2017 veröffentlichten Forscher der Zhejiang University und der Xidian University ein Papier über das Design eines tragbaren thermoelektrischen Generators zur Gewinnung von Energie aus dem menschlichen Körper.
Ähnlich wie die neueste Forschung nutzte auch diese Bi2Te3‑basiertes thermoelektrisches Material, um ein Gerät zu schaffen, das bei einem Temperaturunterschied von 12 K eine Spannung von 48 mV erzeugen kann. Auf die Haut des menschlichen Handgelenks montiert, betrug die Ausgangsleistung des thermoelektrischen Generators 130,6 nW bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, was sein Potenzial für die Gewinnung von Körperwärmeenergie und die Entwicklung selbstversorgender mobiler Wearables demonstriert.
Eine weitere Studie erzielte Fortschritte im Design von thermoelektrischen Generatoren (TEGs) für Anwendungen zur Ernte von Körperwärme. Das Problem ist, dass zwischen der Körpertemperatur und der Umgebungstemperatur ein Unterschied von 10–15 °C besteht, jedoch nur ein winziger Teil durch einen tragbaren TEG gelangt, weil die thermische Widerstandsfähigkeit der Haut dies begrenzt.
Um die Herausforderungen für tragbare TEGs zu überwinden, wurde ein umfassendes quasi‑3D‑Analysemodell entwickelt, und anschließend wurde eine Mikrowellen‑Verarbeitungstechnik eingesetzt, um hochleistungsfähige thermoelektrische Nanokomposite zu synthetisieren, was zu einer starken Reduktion der Wärmeleitfähigkeit führte und TEGs mit 4‑7‑fach höherer Leistungsdichte im Vergleich zu kommerziellen TEGs am menschlichen Körper ermöglichte.
Allein in diesem Jahr wurden mehrere Forschungsstudien veröffentlicht, die sich auf thermoelektrische Geräte für Wearables konzentrieren.
Vor einigen Monaten entwickelten Forscher der University of Washington ebenfalls ein hochflexibles und weiches Prototyp, das Energie aus Körperwärme ernten und in Strom umwandeln kann, um kleine Elektronik zu betreiben. Für ihre flexiblen thermoelektrischen Geräte (TEDs) nutzte das UW‑Team 3D‑weiche Architekturen, starre Halbleiter, multifunktionale Verbundstoffe und selbstheilende Flüssigmetall‑Leiter.
Zusätzlich zur Energiegewinnung lag der Fokus all dieser Studien auf der Entwicklung leichter und flexibler thermoelektrischer Materialien, der Gestaltung anpassungsfähiger Oberflächen für verschiedene Körperteile, der Verbesserung der Funktionalität von Wearables sowie der Erreichung von Kosteneffizienz und Skalierbarkeit.
Der rasant wachsende Wearable‑Markt
Der Fortschritt in der Wearable‑Technologie und die daraus resultierende Funktionssteigerung haben die Akzeptanz dieser Geräte erhöht. Das wachsende Interesse an Wearables lässt den Markt laut Prognosen über 150 Milliarden $ bis zum Ende dieses Jahrzehnts wachsen.
Der Markt für Wearables wie Smartwatches und Fitness‑Tracker ist bereits seit einiger Zeit im Aufschwung. Sie erlebten während der Pandemie einen Boom, da die persönliche Gesundheit für alle in den Vordergrund rückte. Diese Geräte fügen zudem immer mehr Messwerte hinzu und nähern sich zunehmend dem Niveau medizinischer Geräte, wodurch immer mehr Verbraucher sie übernehmen.
Neben Fitness und Gesundheitswesen zeigen Technologieriesen ein besonderes Interesse an Wearables für virtuelle, erweiterte und gemischte Realität (VR, AR & MR). Smarte Kleidung und E‑Textilien erhalten ebenfalls Aufmerksamkeit, stehen jedoch weiterhin vor Herausforderungen hinsichtlich Herstellungs‑Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit.
Interessanterweise wird erwartet, dass der Markt für Wearable‑Zahlungsdienste mit einer CAGR von 13,6 % auf 120 Milliarden $ wächst. Dieses Wachstum wird durch die Einführung von Near‑Field‑Communication (NFC) in Smartphones, Fitness‑Trackern und anderen Wearables vorangetrieben.
Weitere Produktarten der Wearable‑Technologie umfassen elektronische Hautpflaster, Brustgurte, smarte Kontaktlinsen und Wearable‑Kameras, die ebenfalls von Interesse sind.
Laut einem aktuellen Bericht werden die weltweiten Auslieferungen von Wearable‑Geräten in diesem Jahr voraussichtlich um mehr als 6 % im Jahresvergleich (YoY) auf fast 538 Millionen Einheiten steigen. Dieses Wachstum wird durch die verbesserte Wirtschaftslage und die zunehmende Akzeptanz von Wearables in Schwellenländern angetrieben.
Dieses Wachstum wird jedoch ungleichmäßig über die Sektoren verteilt sein; Wearables, die über 60 % des Wearable‑Marktes ausmachen, sollen von einer Preisstabilisierung profitieren. Smartwatches hingegen werden voraussichtlich einen Rückgang von 3 % verzeichnen – den ersten YoY‑Rückgang überhaupt –, obwohl sie für ein Wachstum von 4,8 % im nächsten Jahr prognostiziert werden. Dies ist auf steigende Preise und minimale Designänderungen zurückzuführen.
Aufkommende Wearable‑Geräte
Bei den aufkommenden Wearable‑Geräten führen die Fitness‑ und Gesundheitssektoren die Entwicklung an.
Im Gesundheitswesen transformieren tragbare Elektrokardiogramm‑(ECG‑)Geräte, die als Smartwatches und Pflaster erhältlich sind, die Fernkardiologie. Diese Geräte koppeln sich mit Apps, die ECG‑Daten speichern, die Ärzte remote prüfen können, um proaktives Gesundheitsmanagement zu ermöglichen, was zu gesünderen Lebensstilen führt.
Heutige Wearables ermöglichen zudem die kontinuierliche Erfassung von Vitalzeichen mithilfe fortschrittlicher Sensoren, die Echtzeitdaten über den Träger liefern. Beispielsweise bietet das kontinuierliche Glukose‑Monitoring (CGM) Echtzeiteinblicke in den Blutzuckerspiegel, sodass Patienten ihre Gesundheit bequem von zu Hause aus überwachen können.
Ein zunehmender Fokus von Unternehmen liegt ebenfalls auf Herzfrequenzmonitoren. Smartwatches wie die Casio G‑Shock Rangeman sind mit einem Herzfrequenzmonitor ausgestattet, der Körperbewegungen sowie Änderungen der natürlichen Umgebung mithilfe von GPS und Sensoren genau erkennt. Dann gibt es die Herzfrequenzmonitore von Garmin‘s (GRMN ) , die ein komfortables Design besitzen, das es Frauen ermöglicht, sie direkt an ihren Sport‑BHs zu befestigen.
Wie wir sehen, steht die Benutzerfreundlichkeit bei Technologieunternehmen, die Wearables entwickeln, eindeutig im Fokus. Dies gilt auch für die Oura‑Smart‑Ringe, die am Finger getragen werden können. Das Band ist mit einem 3‑D‑Beschleunigungssensor zur Erfassung von Bewegungen, einem NTC‑Sensor zur Messung der Körpertemperatur und einem PPG‑Sensor zur Überwachung der Herzfrequenz ausgestattet.
Dann gibt es den Evie Smart Ring, der mit einem Frauen‑first‑Ansatz entwickelt wurde und das Tracking von Schlaf, Herzgesundheit und Menstruationszyklen ermöglicht. Wearable‑Biosensoren bieten hingegen vielversprechende Möglichkeiten für das Stressmanagement, indem sie subtile Veränderungen von Biomarkern wie Cortisolspiegeln erkennen.
Unternehmen entwickeln zudem Kopfhörer, die Träger während des Trainings anleiten, während spezielle Handschuhe wie GyroGlove für Parkinson‑Patienten entwickelt wurden, um Zittern zu reduzieren und die Lebensqualität zu verbessern.
In der Unterhaltungswelt ermöglichen Wearables wie Xreal Air den Nutzern, Inhalte zu sehen und Spiele zu spielen, während Meta‘s (META ) Smart‑Brillen die Erstellung und das Teilen von Inhalten ermöglichen. Dann gibt es Wearables wie den Ai Pin, der auf einem acht‑Kern‑2,1‑GHz‑Qualcomm (QCOM ) ‑Prozessor läuft und Fotos aufnehmen, Textnachrichten senden und Anrufe entgegennehmen kann.
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Unternehmen, die den Wearable‑Sektor dominieren
Wenn es um Unternehmen geht, hat Apple (AAPL ) dank seines umfangreichen Portfolios an intelligenten Produkten wie der Apple Watch die Branche angeführt. Zu den wichtigsten Gesundheitsmetriken, die die Uhr erfasst, gehören Herzfrequenz, Atemfrequenz, Handgelenktemperatur, Blutsauerstoff und Schlafdauer.
AAPL Preisdiagramm
Das weltweit größte Unternehmen nach Marktkapitalisierung von 3,75 Billionen $ hat derzeit einen Aktienkurs von 248 $, was einem Anstieg von 28,88 % in diesem Jahr entspricht. Apple weist ein EPS (TTM) von 6,07 und ein KGV (TTM) von 40,88 auf und hat eine Dividendenrendite von 0,40 %. Für das zum 28. September 2024 endende Quartal, in dem das Unternehmen die iPhone‑16‑Produktlinie, AirPods 4 und die Apple Watch Series 10 mit Funktionen für Hörgesundheit und Schlafapnoe‑Erkennung einführte, meldete das Technologie‑Gigant einen Umsatz von 94,9 Milliarden $.
Währenddessen erobert Google den Wearable‑Markt über Fitbit, das 2021 übernommen wurde. Das chinesische Unternehmen Huawei hat in diesem Jahr sein TruSense‑System eingeführt, um kommende Wearables zu betreiben. Weitere bemerkenswerte Namen in diesem Bereich sind Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ) und Garmin.
Fazit
Wearable‑Technologie ist ein rasant wachsender Markt, der viel Interesse und Entwicklung erfährt. Darüber hinaus ebnen Durchbrüche in der thermoelektrischen Technologie, wie sie vom QUT‑Team erzielt wurden, den Weg zu einer fortschrittlicheren Zukunft, in der diese Geräte nicht mehr auf Batterien angewiesen sind, was zu leichteren und effizienteren Wearables führt.
Doch während all diese Fortschritte in Material und Design den globalen Wearable‑Markt vorantreiben, gibt es weiterhin Herausforderungen hinsichtlich Kosten, Skalierbarkeit und Haltbarkeit. Nur durch weitere Innovationen, kontinuierliche Zusammenarbeit und erhöhte Investitionen können all diese Durchbrüche genutzt werden, um sie in praktischen Anwendungen einzusetzen und in unser tägliches Leben zu integrieren!
