Cosechadores de energía háptica te permiten ser tu propio banco de baterías

Probablemente hayas escuchado los términos Energía Háptica o Retroalimentación Háptica. El término se ha usado con frecuencia en estos tiempos de tecnología portátil. En 2024, una enorme cantidad de 534 millones de unidades portátiles fueron enviadas globalmente.

Estas unidades incluían una amplia variedad de dispositivos electrónicos como relojes inteligentes, rastreadores de actividad, auriculares, dispositivos de realidad extendida, es decir, auriculares de realidad virtual y gafas de realidad aumentada. Con la aparición de la electrónica portátil, surgió un paradigma de energía háptica.

Durante las últimas cuatro décadas, el método principal de comunicación en la electrónica ha sido la retroalimentación audible o visual, con el lenguaje principal de comunicación siendo el sonido y la luz. Pero hoy, la retroalimentación háptica se ha convertido en otra forma para que la electrónica se comunique con los seres humanos, usando su sentido del tacto.

Smartphones, relojes inteligentes, rastreadores de actividad – todos estos sistemas portátiles alimentados por batería podrían usar hápticos. Como aplicación, tiene su lugar bien establecido en aplicaciones de consumo, industriales y automotrices, como smartphones, tabletas, ratones, cajeros automáticos, y sistemas de infoentretenimiento automotriz. 

Ahora, un equipo de investigadores ha aplicado con éxito energía háptica a los dispositivos portátiles¹. Al hablar sobre el propósito de su investigación y la importancia de lo que podría lograr, Saad Khan, coautor correspondiente y Profesor INVISTA de Ingeniería Química y Biomolecular en NC State, dijo lo siguiente:

“Luego iniciamos una serie de experimentos para explorar si podíamos usar anfifilos para modificar materiales e incorporarlos en cosechadores de energía háptica.” 

Para saber más sobre la investigación y sus logros, profundizaremos en ella en el siguiente segmento. 

Compresión de anfifilos ensamblados en superficies resbaladizas para cosechadores de energía háptica ajustables

Fuente: NC State University

Los investigadores se dieron cuenta de que un desafío recurrente al extraer energía del movimiento ambiental era que los dispositivos deben mantener una alta eficiencia de cosecha y una experiencia de usuario positiva cuando su interfaz pasa por compresión dinámica. Los investigadores demostraron que los pequeños anfifilos podrían usarse para ajustar la fricción, los hápticos y las propiedades triboeléctricas al ensamblarlos en conformaciones específicas en la superficie de los materiales. Los anfifilos son moléculas que a menudo se usan en productos de consumo para reducir la fricción contra la piel humana. Por ejemplo, estas moléculas se incorporan frecuentemente en pañales para prevenir la irritación. 

Al hablar sobre la búsqueda y motivaciones que la impulsaron, Lilian Hsiao, autora correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesora asociada de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, dijo lo siguiente:

“Nos propusimos desarrollar un modelo que nos diera una comprensión fundamental detallada de cómo diferentes anfifilos afectan la fricción superficial de distintos materiales.”

Los investigadores observaron que las moléculas que formaban múltiples planos de deslizamiento bajo presión, especialmente mediante apilamiento π-π, producían una fricción 80 a 90 % menor que aquellas que forman mesoestructuras desordenadas. Como resultado, los investigadores propusieron un marco de escalado para sus propiedades de reducción de fricción que tiene en cuenta la adhesión y la mecánica de contacto.

Al lograr su objetivo, los investigadores se dieron cuenta de que las superficies recubiertas con anfifilos tendían a resistir el desgaste y generar una percepción táctil distinta, con los humanos prefiriendo materiales más resbaladizos. En otro nivel, los investigadores también pudieron mejorar la salida triboeléctrica mediante el uso de anfifilos con alta afinidad electrónica.

En conjunto, las moléculas que podían autoorganizarse en planos resbaladizos bajo presión representaban una forma sencilla de avanzar en el desarrollo de cosechadores de energía háptica a gran escala. Para explicarlo en términos más prácticos, los investigadores descubrieron que era posible usar anfifilos para crear telas portátiles con superficies resbaladizas que se sentían bien contra la piel humana. 

Además, los investigadores descubrieron que algunos anfifilos, debido a sus propiedades electrónicas inherentes, podían actuar como donadores de electrones. Estos anfifilos donadores de electrones, cuando se incorporan en materiales portátiles, resultan en un material cómodo capaz de generar electricidad mediante la fricción producida al frotarse contra la piel humana u otras superficies.  

En resumen, como destacó Hsiao, en sus pruebas de prueba de concepto, los investigadores encontraron que estos materiales de anfifilos no solo se sentían bien en la piel, sino que podían generar hasta 300 voltios, lo cual era notable para una pequeña pieza de material.

Según Saad Khan:

“Estamos interesados en hacer más para aprovechar estos materiales, como explorar cómo pueden incorporarse en dispositivos hápticos existentes. Y estamos abiertos a trabajar con socios de la industria para identificar nuevas aplicaciones.”

Aunque la investigación y su adopción industrial deben ir de la mano, hay varias compañías que ya están profundamente investigando productos que cosecharían energía del cuerpo para alimentar dispositivos tecnológicos portátiles. En los siguientes segmentos, discutimos un par de compañías pioneras que podrían beneficiarse de investigaciones como la que hemos discutido. 

1. Medtronic PLC

Una de las compañías que ha trabajado extensamente con la tecnología portátil es Medtronic. Este gran gigante público de med-tech es quizás uno de los mejor posicionados para aprovechar los cosechadores de energía háptica. 

Una de las ofertas más importantes de Medtronic es el BioButton, un dispositivo portátil de grado médico y multiparamétrico diseñado para el monitoreo inteligente de pacientes. Proporciona datos de tendencias sobre signos vitales clave y biométricos, sirviendo como un indicador temprano del deterioro del paciente.

Diseñado para el monitoreo continuo de los principales indicadores del deterioro del paciente, el monitor puede medir la frecuencia respiratoria en reposo, la frecuencia cardíaca en reposo, la temperatura de la piel y una serie de biométricos. El dispositivo portátil hizo posible que los investigadores exploraran datos de tendencias para ayudar a los clínicos a identificar pacientes que puedan necesitar intervención clínica y aquellos que puedan estar listos para el alta.

En 2022, Medtronic estableció una asociación estratégica con BioIntelliSense, una empresa de monitoreo continuo de salud e inteligencia clínica, para los derechos exclusivos de distribución en hospitales de EE. UU. y de 30 días post-agudo de hospital a hogar del BioButton. 

Durante el anuncio de la asociación, Frank Chan, Ph.D., presidente del negocio de Monitoreo de Pacientes, que era parte del Portafolio Médico-Quirúrgico en Medtronic, dijo lo siguiente:

“Nuestra visión es empoderar a los clínicos y pacientes con información procesable para personalizar la atención — en cualquier momento y lugar. A través de nuestra colaboración con BioIntelliSense, apoyaremos la atención continua y conectada desde el hospital hasta el hogar y ampliaremos nuestro alcance para ayudar a más pacientes en más lugares que nunca antes.”

Siendo una de las compañías med-tech más importantes del mundo, Medtronic es quizás la mejor posicionada para beneficiarse de investigaciones como la que hemos discutido. En mayo de 2024, Medtronic anunció resultados financieros de su cuarto trimestre y del año fiscal 2024. La compañía reportó ingresos del Q4 de $8.6 mil millones, un aumento del 0.5 % según lo reportado y 5.4 % orgánico. La compañía reportó ingresos del FY 24 de $32.4 mil millones, un aumento del 3.6 % según lo reportado y 5.2 % orgánico. 

2. Philips

Al igual que Medtronic, otro gigante tecnológico que ha invertido mucho en I+D para desarrollar tecnología portátil de vanguardia es Philips. Las soluciones de monitoreo portátiles para pacientes de Philips brindan a los pacientes la libertad de moverse por la unidad de cuidados o el hospital.

Diseñados para la comodidad, los dispositivos portátiles para pacientes de Philips utilizan tecnología inalámbrica para transmitir datos y alarmas a donde se necesiten, como una zona central de enfermería, un área de observación remota o el dispositivo móvil de un cuidador. Los dispositivos cuentan con una variedad de capacidades de medición para atender las necesidades clínicas de poblaciones de pacientes de cuidado general e intermedio. 

El nombre de la marca del producto es Intellivue MX40. Los usuarios pueden operar el IntelliVue MX40 con baterías AA desechables o una única batería recargable de Philips. El dispositivo permite obtener información de ECG de 12 derivaciones mientras monitorea continuamente ST y QT, FAST SpO2 y respiración por impedancia. Con hasta 5 formatos de pantalla, la información necesaria está disponible con un solo toque.

El dispositivo cuenta con una conexión inalámbrica de corto alcance a los monitores IntelliVue para capturar signos vitales o para una visualización más completa. El dispositivo presenta un conector de cable único diseñado para reducir la acumulación de suciedad y líquidos y un diseño de carcasa que resiste desinfectantes de alto nivel, incluida la esterilización periódica.

Según la información más reciente disponible, en 2023, Philips registró 18,2 mil millones de euros en ventas con un crecimiento comparable del 6 % y un margen EBITA ajustado del 10,6 % 

Mientras que grandes empresas tecnológicas como Medtronic y Philips están desarrollando productos que pueden beneficiarse significativamente de los cosechadores de energía háptica, varias otras organizaciones de investigación han estado trabajando en la misma línea. 

En los próximos segmentos, discutimos algunos de esos estudios de investigación que tienen el potencial de revolucionar las aplicaciones en este campo.

Prototipo electrónico que cosecha energía del calor corporal y la convierte en electricidad

En septiembre de 2024, se publicaron informes de investigadores de la Universidad de Washington que desarrollaron un prototipo electrónico flexible y duradero capaz de cosechar energía del calor corporal y convertirla en electricidad para alimentar pequeños dispositivos electrónicos, como baterías, sensores o LEDs. La resistencia del dispositivo lo mantiene utilizable incluso después de haber sido perforado varias veces y estirado hasta 2000 veces. 

Según el autor principal Mohammad Malakooti, profesor asistente de ingeniería mecánica en UW:

“Cuando colocas este dispositivo en tu piel, usa el calor de tu cuerpo para alimentar directamente un LED. Tan pronto como colocas el dispositivo, el LED se enciende. Esto no era posible antes.”

Para detallar funcionalmente, el dispositivo tiene tres capas principales. La capa central tiene semiconductores termoeléctricos rígidos que convierten el calor en electricidad. Estos semiconductores están rodeados por compuestos impresos en 3D con baja conductividad térmica, lo que mejora la conversión de energía y reduce el peso del dispositivo.

Además, para proporcionar elasticidad, conductividad y autorreparación eléctrica, los semiconductores están conectados con trazas impresas de metal líquido. Además, las gotas de metal líquido incrustadas en las capas externas mejoran la transferencia de calor a los semiconductores y mantienen la flexibilidad porque el metal permanece líquido a temperatura ambiente.

Al hablar sobre los beneficios de la tecnología y su propósito mayor, Mohammad Malakooti dijo lo siguiente:

“Esto podría ser especialmente útil en centros de datos, donde los servidores y equipos informáticos consumen una cantidad considerable de electricidad y generan calor, requiriendo aún más electricidad para mantenerlos frescos. Nuestros dispositivos pueden capturar ese calor y reutilizarlo para alimentar sensores de temperatura y humedad.”

Añadió:

“Este enfoque es más sostenible porque crea un sistema autónomo que monitorea las condiciones mientras reduce el consumo total de energía. Además, no hay necesidad de preocuparse por el mantenimiento, el cambio de baterías o la instalación de nuevos cables.”

En el futuro, los investigadores eran optimistas sobre que esta tecnología encontrara aplicación en sistemas de realidad virtual y otros accesorios portátiles para crear sensaciones de calor y frío en la piel o mejorar la comodidad general. 

Tres años antes, en octubre de 2021, investigadores de CU Boulder lograron un avance similar. Exploraremos esa investigación en el siguiente segmento.

Haga clic aquí para aprender sobre la tela inteligente que convierte el calor corporal en energía.

Dispositivo portátil que convirtió el cuerpo en una batería

Investigadores de CU Boulder idearon un nuevo dispositivo portátil de bajo costo que podría transformar el cuerpo humano en una batería biológica. 

Una de las características más atractivas del dispositivo era que era lo suficientemente elástico para usarse como anillo, pulsera o cualquier otro accesorio que tocara la piel del usuario. Aprovechaba el calor natural de una persona, empleando generadores termoeléctricos para convertir la temperatura interna del cuerpo en electricidad. 

El dispositivo podía generar aproximadamente 1 voltio de energía por cada centímetro cuadrado de piel, menos voltaje por área que la mayoría de las baterías existentes, pero aún suficiente para alimentar dispositivos electrónicos como relojes o rastreadores de actividad. 

Los investigadores utilizaron una base hecha de un material elástico llamado polimina y luego insertaron una serie de finas chips termoeléctricos en esa base, conectándolos todos con cables de metal líquido. El producto final se parecía a una mezcla entre una pulsera de plástico y una placa base de computadora en miniatura o quizás un anillo de diamante tecnológico.  

La solución era lo suficientemente flexible para que su potencia pudiera aumentarse añadiendo más bloques de generadores. Uno de los investigadores comparó la solución con la forma en que manejamos los Legos:

“Es como juntar un montón de pequeñas piezas de Lego para crear una gran estructura. Te brinda muchas opciones de personalización.”

Película ultra delgada y flexible que alimenta dispositivos portátiles de próxima generación

Una investigación más reciente, liderada por un equipo de la Queensland University of Technology, desarrolló una película ultra delgada y flexible que podría alimentar dispositivos portátiles de próxima generación usando el calor corporal, eliminando la necesidad de baterías.

Además, la tecnología podría enfriar los chips electrónicos, ayudando a que los smartphones y computadoras funcionen de manera más eficiente.

Según Profesor Zhi-Gang Chen, cuya nueva investigación del equipo fue publicada en la prestigiosa revista Science:

“Los dispositivos termoeléctricos flexibles pueden usarse cómodamente en la piel donde convierten eficazmente la diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y el aire circundante en electricidad.”

Al hablar sobre la posible aplicación de esta tecnología, el Profesor Chen destacó que podría aplicarse en espacios reducidos, como dentro de una computadora o teléfono móvil, para ayudar a enfriar los chips y mejorar el rendimiento. 

Otras aplicaciones incluían la gestión térmica personal, donde el calor corporal podría alimentar un sistema portátil de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Los investigadores citaron algunos desafíos que también eran verdaderos para innovaciones similares. Estos desafíos incluían flexibilidad limitada, fabricación compleja, altos costos y rendimiento insuficiente.

Sin embargo, la investigación que estamos discutiendo actualmente ofreció algunas soluciones en cuanto a la gestión de costos. Mientras que la mayoría de la investigación en este área se había centrado en termoelectricidad basada en telururo de bismuto, valorada por sus altas propiedades que convierten el calor en electricidad,  el equipo introdujo una tecnología rentable para fabricar películas termoeléctricas flexibles usando diminutos cristales, o “nano aglutinantes,” que formaban una capa consistente de láminas de telururo de bismuto, mejorando tanto la eficiencia como la flexibilidad.

Más específicamente, el equipo empleó la “síntesis solvotérmica”, una técnica que forma nanocristales en un solvente bajo alta temperatura y presión, combinada con “impresión en pantalla” y “sinterizado”. 

Los investigadores crearon una película imprimible de tamaño A4 con un rendimiento termoeléctrico récord, flexibilidad excepcional, escalabilidad y bajo costo.  El método de impresión en pantalla permitió la producción a gran escala de la película, mientras que el sinterizado calentó las películas hasta casi su punto de fusión, uniendo las partículas.

La solución también podría funcionar con otros sistemas, como termoelectricidad basada en seleniuro de plata, que eran potencialmente más baratos y sostenibles que los materiales tradicionales.

Palabras finales

La gestión exitosa de la energía se ha convertido en el umbral más crítico que puede hacer o deshacer una solución tecnológica. Las técnicas de cosecha de energía que utilizan el calor corporal para alimentar la tecnología portátil son el enfoque más prometedor en esta dirección, garantizando eficiencia sin requerir energía o alimentación externa. Las soluciones resultantes de estos esfuerzos son sostenibles. Con la creciente adopción, ahora solo es cuestión de tiempo que estas soluciones estén listas para una producción comercial a gran escala, reduciendo costos y mejorando la disponibilidad.  

Referencia del estudio:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compresión de anfifilos ensamblados en superficies resbaladizas para cosechadores de energía háptica ajustables. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}