Μπορούμε Σύντομα Να Τροφοδοτήσουμε τις Ηλεκτρονικές Συσκευές μας με Φορητούς Συλλέκτες Ενέργειας;

Καθιστώντας τις Ηλεκτρονικές Συσκευές Ευέλικτες

Με τα smartphones, έχουμε συνηθίσει να μεταφέρουμε ηλεκτρονικές συσκευές μαζί μας όλη τη ώρα. Ωστόσο, αυτό γίνεται ακόμη με ένα ογκώδες μπλοκ μετάλλου και πλαστικού, το οποίο, αν υπάρχει κάτι, γίνεται κάθε χρόνο μεγαλύτερο και βαρύτερο.

Το επόμενο βήμα θα ήταν να ενσωματώσουμε τις ηλεκτρονικές συσκευές στην ενδυμασία μας πιο απρόσκοπτα. Αυτό έχει ήδη ξεκινήσει με φορητά ηλεκτρονικά όπως τα smartwatches και άλλα φορέσιμα εστιασμένα στην υγεία.

Ένα βήμα παραπέρα θα ήταν η άμεση ενσωμάτωση της ηλεκτρονικής στα ρούχα μας. Αλλά για αυτό, πρέπει να είναι πολύ ευέλικτη και ελαφριά. Έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση:

• Οι κάμψεις οθονών ενσωματώνονται πλέον συνήθως σε υψηλής τεχνολογίας smartphones από τη Samsung και τη Huawei.
• Αναπτύσσονται ευπτυχείς και τεντωμένες μπαταρίες κατασκευασμένες από πολυμερή.
• Οι μικροεπεξεργαστές μπορούν επίσης να λυγίσουν.

Έτσι, αν οι οθόνες, οι μπαταρίες και ακόμη και οι επεξεργαστές είναι πλέον ευέλικτοι και λυγιστικοί, τι μας εμποδίζει ακόμη να έχουμε φορετές συσκευές ενσωματωμένες στα ρούχα μας; Η τροφοδοσία τους παραμένει σοβαρό εμπόδιο.

Αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει, χάρη σε μια ανακάλυψη Κορεατών ερευνητών στο Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), το Πανεπιστήμιο Hannam, το Πανεπιστήμιο Yonsei, το Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), το Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) και το Εθνικό Πανεπιστήμιο Jeonbuk.

Ανάπτυξαν έναν φορητό συλλέκτη ενέργειας που είναι 280 φορές πιο αποδοτικός από τις συμβατικές συσκευές, χρησιμοποιώντας έναν νέο τύπο πιεζοηλεκτρικού συλλέκτη ενέργειας.

Δημοσιεύθηκε στο ACS Nano, με τίτλο “Curvature-Specific Coupling Electrode Design for a Stretchable Three-Dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator¹”.

Τριβοηλεκτρικές και Πιεζοηλεκτρικές Συσκευές

Οι συλλέκτες ενέργειας είναι συστήματα που παράγουν ενέργεια από κινήσεις. Κυρίως υπάρχουν δύο τύποι, ανάλογα με το αν λειτουργούν με το τριβοηλεκτρικό ή το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Οι τριβοηλεκτρικοί γεννήτορες είναι αυτό που γενικά ονομάζεται ηλεκτροστατικό, ή αυτό που συμβαίνει όταν δύο αντικείμενα αγγίζονται ή γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο. Αυτό μπορεί να παράγει κάποια ηλεκτρισμό, αλλά συχνά είναι πολύ αδύναμο για να τροφοδοτήσει ηλεκτρονικές συσκευές.

Το πιεζοηλεκτρικό είναι το φαινόμενο παραγωγής ηλεκτρισμού ως αντίδραση σε μηχανική καταπόνηση όπως κάμψη, συμπίεση κ.λπ. Μέχρι τώρα, οι περισσότεροι πιεζοηλεκτρικοί συλλέκτες ενέργειας έχουν κατασκευαστεί με οργανικά ή σύνθετα πιεζοηλεκτρικά υλικά, τα οποία έχουν χαμηλή ενεργειακή απόδοση.

Η ομάδα του καθηγητή Jang χρησιμοποιούσε έναν άλλο τύπο υλικού: το μολύβδου ζιρκόνιου τιτανικού (PZT).

Πηγή: DGIST

Γεννήτρια Πιεζοηλεκτρικού PZT

Το PZT είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό για την εξαιρετική πιεζοηλεκτρική του απόδοση, αλλά είναι επίσης σκληρό και εύθραυστο. Συνεπώς, η χρήση του σε τεντωτές συσκευές και η εξάρτηση από την κίνηση για παραγωγή ενέργειας ήταν απίθανο να δημιουργήσει μια ανθεκτική γεννήτρια για φορετές συσκευές.

Έτσι, οι ερευνητές εξέτασαν πώς να σχεδιάσουν μια δομή 3Δ βασισμένη σε PZT που θα είναι ανεξάρτητη από παραμόρφωση και θα εγγυάται τεντωσιμότητα διατηρώντας ταυτόχρονα την πιεζοηλεκτρική ικανότητα.

Το πρώτο βήμα ήταν η δημιουργία μιας καμπυλωτής ηλεκτροδίου με κυρτό σχήμα που παράγει ενέργεια όταν τεντώνεται.

Πηγή: ACS Nano

Στη συνέχεια, συναρμολογούν χορδές από αυτά τα ηλεκτρόδια μεταξύ τους, παρόμοια με το πλέγμα ενός υφάσματος ή ενός καλάθι από μπαγκέτα.

Πηγή: ACS Nano

Εξάλειψη Προβλημάτων

Επειδή τα ηλεκτρόδια είναι διαπλεκόμενα, θα μπορούσαν εύκολα να αναιρέσουν το ένα το άλλο. Για να αποφευχθεί αυτό, τα ηλεκτρόδια χωρίστηκαν σε κυρτές και κοίλες περιοχές ανάλογα με την κατεύθυνση του παραγόμενου τάσης εξόδου.

Το ρεύμα μπορεί να δημιουργηθεί από οποιαδήποτε κίνηση του σώματος, όπως έδειξαν οι ερευνητές στο γόνατο, το χέρι ή ακόμη και τα δάχτυλα.

Πηγή: ACS Nano

Αυτό δημιούργησε μια πολύ αποδοτική πιεζοηλεκτρική γεννήτρια, που παρουσιάζει τόσο ακραία τεντωσιμότητα όσο και την υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος για οποιαδήποτε συσκευή αυτού του τύπου.

Πηγή: ACS Nano

“Η ανάπτυξη αυτής της εξαιρετικά αποδοτικής τεντωτής πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας συλλογής ενέργειας αποτελεί σημαντικό επίτευγμα αυτής της έρευνας. Αναμένουμε ότι αυτή η τεχνολογία θα γίνει χρήσιμη μετά το εμπορευματοποίηση και θα οδηγήσει στη πρακτική χρήση φορητών συλλεκτών ενέργειας.”

Καθ. Kyung-In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Εφαρμογές

Φορητές Συσκευές

Η πιο άμεση εφαρμογή θα ήταν η τροφοδοσία ηλεκτρονικών ενσωματωμένων στα ρούχα μας όταν κινείται, όπως κατά το περπάτημα.

Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για φορητές συσκευές, ιδιαίτερα για συσκευές παρακολούθησης υγείας που δεν θα εξαρτώνται από τη συχνή φόρτιση μπαταρίας.

Ιατρικά Εμφυτεύματα

Ένας συγκεκριμένος τύπος εμφυτεύματος θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από αυτό το είδος γεννήτριας: τα εμφυτεύματα καρδιάς.

Η καρδιά κινείται και συστέλλεται συνεχώς, κάτι που μπορεί να παρέχει μια σταθερή πηγή ενέργειας για τέτοια ιατρικά εμφυτεύματα.

Οι ερευνητές έλεγξαν την ιδέα ενσωματώνοντας τη γεννήτρια σε μια πολυϊμιδοειδής μεμβράνη. Αυτό ήταν απαραίτητο για να απομονωθεί αποτελεσματικά το PZT από τα βιουγρά και τους ιστούς, καθώς το PZT μπορεί να είναι τοξικό.

Πηγή: ACS Nano

Στρατιωτικό

Μια άλλη εφαρμογή θα μπορούσε να είναι στον στρατό, όπου το πεζικό εξαρτάται όλο και περισσότερο από αισθητήρες με υψηλή κατανάλωση ενέργειας, επικοινωνίες, ηλεκτρονικό πόλεμο κ.λπ.

Και είναι σχεδόν αδύνατο να αναμένεται από τις μονάδες μάχης να διαχειρίζονται ένα σύμπλεγμα καλωδίων και μπαταριών. Ταυτόχρονα, πρέπει ήδη να χειρίζονται το όπλο, τα πυρομαχικά, τη λύση τηλεπικοινωνίας κ.λπ. Μια πιεζοηλεκτρική γεννήτρια συνδεδεμένη απευθείας με ευέλικτα ηλεκτρονικά στην στολή των στρατιωτών θα μπορούσε να αποτελέσει μια καλή εναλλακτική.

Επένδυση σε Φορητές Συσκευές

Η τεχνολογία φορητών συσκευών αναμένεται να αυξηθεί κατά 14,6% CAGR έως το 2030, από 61,2 δισεκατομμύρια δολάρια το 2022.

Πηγή: Grand View Research

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με φορητές συσκευές μέσω πολλών χρηματιστηρίων, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις συστάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις ΗΠΑ, Καναδά, Αυστραλία, Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.

Αν δεν ενδιαφέρεστε να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες, μπορείτε επίσης να εξετάσετε τα ETFs όπως το iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) ή το SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), που θα προσφέρουν πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε την αυξανόμενη βιομηχανία φορητών και ιατρικών συσκευών.

Μπορείτε επίσης να συμβουλευτείτε το άρθρο “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Εταιρεία Φορητών Συσκευών

Κατασκευή Φορητών Συσκευών

Ένας τρόπος για την κατασκευή ευέλικτης ηλεκτρονικής είναι η χρήση πολυμερών. Ένας άλλος τρόπος είναι η χρήση ενός πολύ ευέλικτου και μη τοξικού μετάλλου, του γαλλίου, το οποίο συζητήσαμε σε μια ειδική επενδυτική αναφορά.

Η ηλιακή ενέργεια, επιπλέον του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, θα μπορούσε επίσης να φορτίζει ευέλικτες φορητές συσκευές. Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί είτε με τη χρήση ηλιακών κυψελών περοβσκίτη είτε με τεχνολογία υπερλεπτής οργανικής φωτοβολταϊκής τεχνολογίας.

Η Philips είναι μια γνωστή καταναλωτική μάρκα μικρών ηλεκτρονικών (ξυριστήρια, ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες), ενεργή επίσης στον τομέα της υγείας. Ήταν η #1 στην υποβολή πατεντών MedTech στην Ευρώπη το 2022.

Είναι ενεργή σε συνδεδεμένα ιατρικά προϊόντα, από φορητές συσκευές έως απεικόνιση, αναπνευστήρες ή ιατρικά ρομπότ. Η εταιρεία δραστηριοποιείται επίσης στα ημιαγωγούς (συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας μαγνητικού αιώρησης) και στην υψηλή τεχνολογία/ρομποτική/αυτοματοποίηση.

Πηγή: Philips

Τα φορητά προϊόντα της Philips παρέχουν κάλυψη καρδιακών, αναπνευστικών και δραστηριότητας μετρήσεων. Οι αισθητήρες της μπορούν να ενσωματωθούν σε smartwatches, παρακολουθητές υγείας, ιατρικές επιθέματα και ιχνηλάτες δραστηριότητας.

Σχετικά με τα φορητά, η Philips προτιμά μια λύση συνεργασίας, όπου αναπτύσσει για τρίτους τις “δικές τους” συνδεδεμένες ιατρικές συσκευές IoT (Internet of Things) πλήρως συμβατές με τις υπόλοιπες λύσεις της Philips. Σε αυτό το πλαίσιο, προσφέρει στους πελάτες της πρωτοτυποποίηση, συμβουλευτική για κανονισμούς, ανάπτυξη προϊόντων από την αρχή μέχρι το τέλος και παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας.

Αυτό καθιστά την Philips μια εταιρεία με έμφαση στην τεχνολογία και έναν πιθανό υποψήφιο για γρήγορη ενσωμάτωση καινοτομιών όπως οι ευέλικτες πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες σε υπάρχουσες ιατρικές συσκευές.

Το 2023, οι συσκευές της Philips επηρέαζαν άμεσα 1,82 δισεκατομμύρια ανθρώπους.

Η εταιρεία επιθυμεί να δημιουργήσει ένα πλήρως ενσωματωμένο ψηφιακό περιβάλλον υγειονομικής περίθαλψης, όπου οι αισθητήρες ταιριάζουν με τις συσκευές, και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει πολλαπλές λύσεις συνδεσιμότητας για ενσωμάτωση στην λύση Philips HealthSuite Cloud και να επιτρέψει λεπτομερή ανάλυση δεδομένων.

Πηγή: Philips

Ως προμηθευτής της βιομηχανίας MedTech, η Philips δεν είναι τόσο εμφανής στον κλάδο όσο άλλες πιο γνωστές εταιρείες. Ωστόσο, είναι ειδική στην κατασκευή υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικών συσκευών και αισθητήρων, συχνά ωθώντας τα όρια του εφικτού στο συγκεκριμένο τομέα της υγείας και των φορητών συσκευών.

Καθώς τα φορητά ενσωματώνονται ολοένα και περισσότερο στην υγειονομική περίθαλψη και τα ιατρικά πρωτόκολλα, το τμήμα Υγείας της Philips πιθανότατα θα αυξηθεί ως μέρος του ομίλου.

Αναφορά Μελέτης:

^{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}