¿Podríamos pronto alimentar nuestros dispositivos electrónicos con recolectores de energía portátiles?

Haciendo los dispositivos electrónicos flexibles

Con los smartphones, nos hemos acostumbrado a llevar la electrónica con nosotros todo el tiempo. Sin embargo, esto sigue realizándose con un bloque voluminoso de metal y plástico, que, de hecho, cada año se vuelve más grande y pesado.

El siguiente paso sería incorporar los dispositivos electrónicos en nuestra vestimenta de forma más fluida. Esto ya ha comenzado con la electrónica portátil como los relojes inteligentes y otros wearables centrados en la salud.

Un paso más allá sería integrar la electrónica directamente en nuestra ropa. Pero para eso, tendría que ser muy flexible y ligera. Se ha avanzado de manera sólida en esa dirección:

• Las pantallas flexibles ahora se integran rutinariamente en smartphones de alta gama por Samsung y Huawei.
• Se están desarrollando baterías flexibles y extensibles hechas de polímeros.
• Los microprocesadores también pueden doblarse.

Así que, si las pantallas, baterías e incluso procesadores son ahora flexibles y doblables, ¿qué sigue impidiéndonos integrar wearables en nuestra ropa? Alimentarlos sigue siendo un serio obstáculo.

Pero esto podría cambiar, gracias a un descubrimiento de investigadores coreanos del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk (DGIST), la Universidad Hannam, la Universidad Yonsei, el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KAIST), el Instituto Coreano de Tecnología Industrial (KITECH) y la Universidad Nacional de Jeonbuk.

Desarrollaron un recolector de energía portátil que es 280 veces más eficiente que los dispositivos convencionales, usando un nuevo tipo de recolector de energía piezoeléctrico.

Fue publicado en ACS Nano, bajo el título “Diseño de electrodo de acoplamiento específico de curvatura para un nanogenerador piezoeléctrico inorgánico tridimensional extensible¹”.

Dispositivos triboeléctricos y piezoeléctricos

Los recolectores de energía son sistemas que producen energía a partir de movimientos. Principalmente existen dos tipos, basados en si funcionan con el efecto triboeléctrico o el efecto piezoeléctrico.

Los generadores triboeléctricos son lo que generalmente se llama electrostático, o lo que ocurre cuando dos objetos se tocan o se deslizan entre sí. Esto puede generar algo de electricidad pero a menudo es demasiado débil para alimentar electrónica.

El piezoeléctrico es el efecto de generar electricidad en respuesta a una tensión mecánica como doblar, comprimir, etc. Hasta ahora, la mayoría de los recolectores de energía piezoeléctricos se han fabricado usando materiales piezoeléctricos orgánicos o compuestos, que tienen baja eficiencia energética.

El equipo del Pr. Jang estaba usando otro tipo de material: zirconato de plomo titanato (PZT).

Fuente: DGIST

Generador piezoeléctrico PZT

Se sabe desde hace tiempo que el PZT tiene un excelente rendimiento piezoeléctrico, pero también es duro y frágil. Por lo tanto, usarlo en dispositivos extensibles y contar con el movimiento para generar energía parecía poco probable para crear un generador duradero para wearables.

Así que los investigadores estudiaron cómo diseñar una estructura 3D basada en PZT que fuera insensible a la deformación y garantizara extensibilidad sin perder la capacidad piezoeléctrica.

El primer paso fue crear un electrodo curvo con forma convexa que produzca energía al estirarse.

Fuente: ACS Nano

Luego ensamblan hilos de estos electrodos entre sí, similar a la malla de una tela o una cesta de mimbre.

Fuente: ACS Nano

Eliminando problemas

Debido a que los electrodos están entrelazados, podrían cancelarse mutuamente fácilmente. Para evitarlo, los electrodos se dividieron en regiones convexas y cóncavas según la dirección del voltaje de salida inducido.

La corriente puede generarse con cualquier movimiento del cuerpo, como probaron los investigadores en la rodilla, la mano o incluso los dedos.

Fuente: ACS Nano

Esto creó un generador piezoeléctrico muy eficiente, que muestra tanto una extensibilidad extrema como la mayor densidad de corriente para cualquier dispositivo de este tipo.

Fuente: ACS Nano

“Desarrollar esta tecnología de recolector de energía piezoeléctrico extensible y altamente eficiente es un gran logro de esta investigación. Esperamos que esta tecnología sea útil después de su comercialización y conduzca al uso práctico de recolectores de energía portátiles.”

Pr. Kyung-In Jang – Departamento de Robótica e Ingeniería Mecatrónica, DGIST

Aplicaciones

Wearables

La aplicación más directa sería alimentar la electrónica integrada en la ropa cuando nos movemos, por ejemplo al caminar.

Esto podría ser útil para dispositivos portátiles, especialmente los de monitoreo de salud, que entonces no dependerían de la carga regular de baterías.

Implantes médicos

Un tipo específico de implante que podría beneficiarse enormemente de este tipo de generador: implantes cardíacos.

El corazón se mueve y contrae constantemente, lo que puede proporcionar una fuente de energía estable para dichos implantes médicos.

Los investigadores probaron el concepto encapsulando el generador en una película de poliamida. Esto era necesario para aislar eficazmente el PZT de los biofluidos y tejidos, ya que el PZT puede ser tóxico.

Fuente: ACS Nano

Militar

Otra aplicación podría estar en el ámbito militar, donde la infantería depende cada vez más de sensores, comunicaciones y guerra electrónica que consumen mucha energía.

Y no es práctico que las unidades de combate tengan que lidiar con una maraña de cables y baterías. Al mismo tiempo, ya deben manejar su arma, munición, solución de telecomunicaciones, etc. Un generador piezoeléctrico conectado directamente a la electrónica flexible del uniforme del soldado podría ser una buena alternativa.

Invertir en wearables

Se espera que la tecnología wearable crezca a 14,6 % de CAGR hasta 2030, desde 61,2 mil millones de dólares en 2022.

Fuente: Grand View Research

Puede invertir en empresas relacionadas con wearables a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.

Si no le interesa seleccionar empresas específicas, también puede considerar ETFs como el iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) o el SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), que le brindarán una exposición más diversificada para capitalizar el crecimiento de la industria de wearables y dispositivos médicos.

También puede consultar nuestro artículo “Las 6 mejores acciones de dispositivos médicos“.

Empresa de wearables

Construyendo wearables

Una forma de construir electrónica flexible es usando polímeros. Otra forma es usar un metal muy flexible y no tóxico, el galio, del que hablamos en un informe de inversión dedicado.

La energía solar, además del efecto piezoeléctrico, también podría cargar wearables flexibles. Esto podría lograrse usando células solares de perovskita o fotovoltaicos orgánicos ultrafinos .

Philips es una marca de electrónica de consumo bien conocida (afeites, cepillos de dientes eléctricos), igualmente activa en el sector sanitario. Fue la número 1 en presentación de patentes MedTech en Europa en 2022.

Está activa en productos médicos conectados, desde wearables hasta imágenes, respiradores o robots médicos. La compañía también está presente en semiconductores (incluida la tecnología maglev) y en alta tecnología/robótica/automatización.

Fuente: Philips

Los wearables de Philips ofrecen métricas cardíacas, respiratorias y de actividad. Sus sensores pueden integrarse en relojes inteligentes, monitores de salud, parches médicos y rastreadores de actividad.

En cuanto a wearables, Philips favorece una solución de asociación, donde desarrolla para terceros “sus” dispositivos IoT médicos conectados totalmente compatibles con el resto de las soluciones de Philips. En ese contexto, ofrece a sus clientes prototipado, asesoría regulatoria, desarrollo de producto de extremo a extremo y producción a escala industrial.

Esto convierte a Philips en una empresa centrada en la tecnología y un candidato probable para integrar rápidamente innovaciones como generadores piezoeléctricos flexibles en dispositivos médicos existentes.

En 2023, los dispositivos de Philips impactaron directamente a 1,82 mil millones de personas.

La compañía quiere crear un entorno de salud digital totalmente integrado, donde los sensores coincidan con los dispositivos, y luego usar múltiples soluciones de conectividad para integrarse en la solución Philips HealthSuite Cloud y permitir análisis de datos profundos.

Fuente: Philips

Como proveedor de la industria MedTech, Philips no es tan visible en el sector como otras compañías más prominentes. Sin embargo, es experta en construir dispositivos electrónicos y sensores de alto rendimiento, a menudo empujando los límites de lo posible en su nicho de salud y wearables.

Con los wearables cada vez más integrados en la atención sanitaria y los protocolos médicos, es probable que el segmento de Healthcare de Philips crezca como parte del conglomerado.

Referencia del estudio:

^{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). Diseño de electrodo de acoplamiento específico de curvatura para un nanogenerador piezoeléctrico inorgánico tridimensional extensible. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}