Computación
Descubrimiento de Dispositivo Termoeléctrico Listo para Avanzar los Wearables
Añade Securities.io a tus fuentes preferidas en Google
Un equipo de investigación de la Queensland University of Technology (QUT) ha desarrollado una película flexible y extremadamente delgada para alimentar dispositivos wearables usando solo el calor de nuestro cuerpo, eliminando así la necesidad de baterías.
La nueva tecnología también podría usarse para enfriar chips electrónicos en smartphones y computadoras, ayudándolos a funcionar de manera más eficiente y mejorando su estabilidad.
El avance, según el profesor Zhi-Gang Chen, director fundador del ARC Research Hub en Generación de Energía sin Emisiones para la Neutralidad de Carbono (ZeroPC), aborda un desafío clave en la creación de un dispositivo termoeléctrico que convierta el calor corporal en energía. El dispositivo tiene el potencial de ser una fuente de energía sostenible para la electrónica wearable.
Hablando sobre dispositivos termoeléctricos flexibles, el profesor Chen explicó que:
“Pueden usarse cómodamente sobre la piel, donde convierten eficazmente la diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y el aire circundante en electricidad.”
Construyendo un Dispositivo Wearable Termoeléctrico Excepcional
Los dispositivos que pueden convertir el calor corporal en energía, aunque son un tema de gran interés y exploración, actualmente enfrentan el desafío de altos costos, fabricación compleja, flexibilidad limitada y rendimiento insuficiente, lo que impide su producción masiva y adopción.
En el estudio más reciente publicado en la revista Science, el equipo de QUT presentó un método rentable para crear películas termoeléctricas flexibles. Para ello, utilizaron diminutos cristales o ‘nanobinders’ que forman una capa uniforme de láminas de telururo de bismuto, mejorando tanto la flexibilidad como la eficiencia.
El telururo de bismuto (Bi2Te3) es un material popular utilizado por los investigadores para construir dichos dispositivos. El polvo gris es un compuesto de bismuto y telurio. El semiconductor químicamente estable muestra excelentes propiedades que convierten el calor en electricidad, lo que lo hace ideal para aplicaciones de bajo consumo como monitores de movimiento, frecuencia cardíaca y temperatura.
Así, el equipo de QUT creó una película imprimible de tamaño A4 “con un rendimiento termoeléctrico récord, flexibilidad excepcional, escalabilidad y bajo costo, lo que la convierte en una de las termoeléctricas flexibles mejores disponibles,” dijo el profesor Chen.
La película imprimible del equipo de QUT comprende nanoplacas basadas en Bi2Te3 como granos altamente orientados y nanorodillos de Te como “nanobinders.”
La técnica utilizada aquí fue “síntesis solvotérmica,” que forma nanocristales en un solvente bajo alta temperatura y presión. Esta técnica se combinó con “sintrizado,” que calienta las películas hasta casi su punto de fusión para unir las partículas, y “serigrafía,” que permite la producción a gran escala de la película.
El método utilizado por el equipo también podría funcionar con otros sistemas inorgánicos como los termoeléctricos basados en seleniuro de plata (Ag2Se), que son potencialmente más baratos y sostenibles que los materiales convencionales, demostrando la amplia aplicabilidad de la técnica.
“Esta flexibilidad en los materiales muestra las posibilidades de amplio alcance que nuestro enfoque ofrece para avanzar la tecnología termoeléctrica flexible.”
– El primer autor del estudio, Wenyi Chen
El dispositivo, según el estudio, alcanzó una densidad de potencia normalizada de >3 μW cm−2 K−2, lo que el equipo afirma que “se sitúa entre los más altos en dispositivos serigrafiados.”
Con ello, la investigación más reciente ofrece una solución poderosa para wearables como relojes inteligentes y la gestión térmica personal. Además de alimentar los wearables, estos dispositivos termoeléctricos pueden aplicarse en espacios reducidos, como el interior de un teléfono móvil, para ayudar a enfriar los chips y mejorar el rendimiento.
Por ejemplo, cuando se aplica dentro de un dispositivo, la película puede reducir la temperatura del chip hasta 11,7 Kelvin, ayudando así a mantener un rendimiento óptimo en los dispositivos electrónicos.
Si el equipo mejora con éxito el rendimiento de este dispositivo eléctrico flexible, podrán alimentar directamente los smartphones del futuro, declaró Chen en el video oficial titulado, “El avance acerca los dispositivos wearables alimentados por calor corporal a la realidad,” publicado en el canal de YouTube de la universidad.
Otras aplicaciones potenciales del dispositivo incluyen sistemas de aire acondicionado y ventilación. El equipo de investigación de QUT también visualiza el uso de dispositivos termoeléctricos en ropa inteligente y componentes automotrices.
Esto es solo el comienzo, sin embargo; en el siguiente paso, el equipo se centrará en optimizar el rendimiento de la tecnología y escalarla. Comercializar la tecnología, después de todo, requiere superar los desafíos de rentabilidad a escala, durabilidad e integración con dispositivos existentes.
Una mayor investigación y desarrollo continuo ayudarán a que estos dispositivos revolucionen la eficiencia energética en varios sectores, desde la electrónica de consumo hasta aplicaciones médicas y automotrices.
Haga clic aquí para aprender cómo los wearables de salud están avanzando la atención preventiva.
Avances en la Tecnología Wearable
En el mundo tecnológicamente avanzado de hoy, los dispositivos wearables han surgido como una innovación popular y altamente beneficiosa.
Los wearables son simplemente dispositivos electrónicos móviles que están diseñados para llevarse en el cuerpo o adherirse a la ropa. Algunos de los tipos comunes de tecnología wearable incluyen relojes inteligentes, gafas inteligentes y joyería inteligente como anillos y pulseras. Estos dispositivos rastrean, analizan y transmiten datos personales.
Una de las aplicaciones más destacadas de los wearables se ha encontrado en la atención médica. Pueden usarse para monitorear la temperatura corporal, la presión arterial, la frecuencia cardíaca y otros signos vitales. La aplicación de estos dispositivos se extiende también a enfermedades fisiológicas como la hipertensión y trastornos musculares, así como a trastornos neurocognitivos como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson. Los wearables también se utilizan como sistemas de administración de fármacos, ayudando a personalizar la atención médica.
Diferentes tipos de dispositivos wearables se están utilizando actualmente en el campo de la salud. Esto incluye dispositivos wearables basados en la piel como e-skin, chalecos wearables, anillos inteligentes, auriculares y dispositivos basados en biofluidos que utilizan saliva, lágrimas y orina.
Además de la salud, los wearables se utilizan para comunicarse con otros, realizar pagos y rastrear niveles de actividad, así como en los sectores de estilo de vida, juegos, deportes, fitness, seguridad y defensa.
A lo largo de los años, la tecnología wearable ha avanzado de diversas maneras. En primer lugar, los investigadores y las empresas siempre buscan mejores materiales para construir estos dispositivos. Los materiales flexibles y extensibles y los diseños suaves y ultrafinos permiten que estos dispositivos se lleven cómodamente y mantengan su funcionalidad.
Por ejemplo, los metales líquidos basados en galio, que tienen alta conductividad y biocompatibilidad, están liderando el camino para la bioelectrónica que se adapta mejor al cuerpo.
En cuanto a los diseños, la tecnología ha evolucionado significativamente respecto a los métodos convencionales, con un mayor enfoque ahora en integrarlos sin problemas con el cuerpo humano. Los e-tatuajes son un gran ejemplo de esto; son electrónicos extremadamente delgados y suaves como la piel que se adaptan a ella y pueden digitalizar de forma no invasiva información fisiológica y psicológica.
La miniaturización de estos dispositivos, junto con la electrónica impresa y las telas inteligentes, ha llevado a sensores que pueden monitorear una variedad de parámetros físicos mientras se integran electrodos en los textiles para medir la actividad. Por ejemplo, los sensores de sudor wearables monitorean de forma continua y no invasiva indicadores de salud a través del sudor para potenciar la medicina de precisión.
Fuente: MDPI
Muchos avances también se están realizando en sensores químicos wearables inteligentes, que están encontrando una aplicación creciente en la salud, el monitoreo ambiental y la evaluación de seguridad.
Se han adoptado varios enfoques innovadores para el diseño y fabricación de sensores, con un sistema diseñado para detectar NO2 mediante la incorporación de un electrolito de alcohol polivinílico/borax/agarosa/NaNO3 y electrodos de nanotubos de carbono multi-paredes sobre nanoláminas de oro. El sistema muestra un rendimiento mejorado y capacidades de autorreparación, lo que lo hace perfecto para aplicaciones wearables.
Superando las Limitaciones de la Tecnología Wearable
Con todas estas innovaciones que ayudan a que los dispositivos wearables sean mejores y más eficaces, están transformando diferentes industrias, especialmente la salud. Sin embargo, sufren limitaciones como la estabilidad y la privacidad.
Por ejemplo, los datos recibidos de los sensores en estos wearables pueden experimentar distorsión y ruido debido al movimiento constante del cuerpo.
Las baterías usadas en los wearables presentan otro desafío importante. Las limitaciones de las fuentes de energía han impulsado a los investigadores a explorar diversas soluciones, como los nanogeneradores piezoeléctricos (PENG), que funcionan como sensores autoalimentados, y los nanogeneradores triboeléctricos (TENG), que sirven como recolectores de energía miniaturizados.
Los generadores termoeléctricos, en particular, han ganado mucho impulso en el espacio de la tecnología wearable. En 2017, investigadores de la Universidad de Zhejiang y la Universidad Xidian publicaron un artículo sobre el diseño de un generador termoeléctrico wearable para cosechar la energía del cuerpo humano.
Al igual que la investigación más reciente, este también utilizó material termoeléctrico basado en Bi2Te3 para crear un dispositivo que podía generar un voltaje de 48 mV para una diferencia de temperatura de 12 K. Cuando se montó sobre la piel de la muñeca humana, la potencia de salida del generador termoeléctrico fue de 130,6 nW a una temperatura ambiente de 25 °C, demostrando su potencial para la cosecha de energía del calor corporal humano y el desarrollo de dispositivos móviles wearables autoalimentados.
Otro estudio estudio realizó avances en el diseño de generadores termoeléctricos (TEG) para aplicaciones de cosecha de calor corporal. El problema es que hay una diferencia de temperatura de 10‑15 °C entre la temperatura corporal y la ambiente, pero solo una pequeña parte pasa a través de un TEG wearable debido a la resistencia térmica de la piel.
Para superar los desafíos de los TEG wearables, se desarrolló un modelo analítico cuasi‑3D integral, y luego se utilizó una técnica de procesamiento por microondas para sintetizar nanocompuestos termoeléctricos de alto rendimiento, lo que llevó a una fuerte reducción de la conductividad térmica y resultó en TEGs que exhiben una densidad de potencia 4‑7 veces mayor que los TEG comerciales en el cuerpo humano.
Solo este año, se han publicado varios estudios de investigación centrados en dispositivos termoeléctricos para wearables.
Hace unos meses, investigadores de la Universidad de Washington también desarrollaron un prototipo altamente flexible y blando que puede cosechar energía del calor corporal y convertirla en electricidad, la cual puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos. Para sus dispositivos termoeléctricos flexibles (TEDs), el equipo de UW utilizó arquitecturas blandas 3D, semiconductores rígidos, compuestos multifuncionales y conductores de metal líquido autorreparables.
Además de la cosecha de energía, el enfoque de todos estos estudios ha sido el desarrollo de materiales termoeléctricos ligeros y flexibles, el diseño de superficies adaptables para ajustarse a diversas partes del cuerpo, la mejora de la funcionalidad de los wearables y la consecución de rentabilidad y escalabilidad.
El Mercado Wearable de Crecimiento Rápido
El avance en la tecnología wearable y el aumento resultante en funcionalidad han incrementado la adopción de estos dispositivos. Se proyecta que el mercado, impulsado por el creciente interés en los dispositivos wearables, crezca más de $150 mil millones antes de que termine esta década.
El mercado de wearables como relojes inteligentes y rastreadores de fitness, en particular, ha estado en aumento durante algún tiempo. De hecho, experimentaron un auge durante la pandemia cuando la salud personal se convirtió en el foco de todos. Estos dispositivos también están añadiendo un número creciente de métricas y, al acercarse a la categoría de dispositivos médicos, cada vez más consumidores los adoptan.
Además del fitness y la salud, los gigantes tecnológicos están mostrando un interés especial en wearables de realidad virtual, aumentada y mixta (VR, AR y MR). La ropa inteligente y los e‑textiles también han atraído atención, pero continúan enfrentando desafíos en cuanto a la escalabilidad de la fabricación y la economía del producto.
Curiosamente, se espera que el mercado de servicios de pagos wearables crezca a un ritmo sólido, con un CAGR del 13,6 % hasta $120 mil millones. Este crecimiento está impulsado por la adopción de la comunicación de campo cercano (NFC) en smartphones, rastreadores de fitness y otros wearables,
Los tipos de productos de tecnología wearable también incluyen parches de piel electrónica, correas de pecho, lentes de contacto inteligentes y cámaras wearables, que también son de interés.
Según un informe reciente, se espera que los envíos de dispositivos wearables a nivel mundial crezcan más del 6 % año tras año (YoY) este año, alcanzando casi 538 millones de unidades. Este crecimiento está impulsado por la mejora de la economía y la creciente adopción de wearables en regiones emergentes.
Sin embargo, este crecimiento será desigual entre los sectores, con los wearables, que representan más del 60 % del mercado de wearables, se espera que reciban un impulso a medida que los precios se estabilicen. Los relojes inteligentes, por su parte, se espera que experimenten una caída del 3 %, la primera disminución YoY, aunque se proyecta que se recuperen con un crecimiento del 4,8 % el próximo año. Esto se debe al aumento de precios y a cambios de diseño mínimos.
Dispositivos Wearables Emergentes
En lo que respecta a dispositivos wearables emergentes, los sectores de fitness y salud lideran la iniciativa.
En la salud, los dispositivos wearables de electrocardiograma (ECG), que aparecen en relojes inteligentes y parches, están transformando la atención cardíaca remota. Estos dispositivos se sincronizan con aplicaciones que almacenan datos de ECG, los cuales los médicos pueden revisar de forma remota y luego proporcionar una gestión proactiva de la salud, conduciendo a estilos de vida más saludables.
Los wearables actuales también permiten la recopilación continua de signos vitales con la ayuda de sensores avanzados que proporcionan datos en tiempo real sobre sus usuarios. Por ejemplo, la monitorización continua de glucosa (CGM) ofrece información en tiempo real sobre los niveles de azúcar en sangre, permitiendo a los pacientes monitorear su salud desde la comodidad de sus hogares.
Un enfoque creciente entre las empresas también se observa en los monitores de frecuencia cardíaca. Relojes inteligentes como el Casio G‑Shock Rangeman vienen equipados con un monitor de frecuencia cardíaca para detectar con precisión el movimiento corporal así como los cambios en el entorno natural con la ayuda de GPS y sensores. Luego están los monitores de frecuencia cardíaca de Garmin (GRMN ), que presentan un diseño cómodo que permite a las mujeres sujetarlos directamente a sus sujetadores deportivos.
Como podemos ver, la facilidad de acceso es sin duda el punto focal de las empresas tecnológicas que desarrollan wearables. Esto también es cierto para los anillos inteligentes Oura, que pueden llevarse en un dedo. La banda está equipada con un acelerómetro 3D para determinar el movimiento, un sensor NTC para observar la temperatura corporal y un sensor PPG para rastrear la frecuencia cardíaca.
Luego está el Evie Smart Ring, que ha adoptado un enfoque centrado en la mujer en su diseño al permitir el seguimiento del sueño, la salud cardíaca y los ciclos menstruales. Los biosensores wearables, por su parte, ofrecen vías prometedoras para la gestión del estrés al detectar cambios sutiles en biomarcadores como los niveles de cortisol.
Las empresas también están construyendo auriculares que guían a los usuarios durante los entrenamientos, mientras que guantes especiales como GyroGlove se crean para pacientes con Parkinson para reducir temblores y mejorar la calidad de vida.
En el mundo del entretenimiento, wearables como Xreal Air permiten a los usuarios ver contenido y jugar, mientras que Meta (META ) gafas inteligentes permiten la creación y compartición de contenido. Luego están los wearables como el Ai Pin, que funciona con un procesador Qualcomm (QCOM ) de ocho núcleos a 2,1 GHz y puede tomar fotos, enviar mensajes de texto y responder llamadas.
Haga clic aquí para aprender sobre el pendiente térmico.
Empresas que Dominan el Sector Wearable
Ahora, cuando se trata de empresas, Apple (AAPL ) ha liderado el sector gracias a su robusto portafolio de productos inteligentes como el Apple Watch. Las métricas de salud clave cubiertas por el reloj incluyen frecuencia cardíaca, frecuencia respiratoria, temperatura de la muñeca, oxígeno en sangre y duración del sueño.
AAPL Gráfico de precios
La compañía más grande del mundo por capitalización de mercado de $3,75 billones tiene sus acciones cotizando actualmente a $248, un aumento del 28,88 % este año. Apple tiene un EPS (TTM) de 6,07 y un P/E (TTM) de 40,88, con un rendimiento de dividendos del 0,40 %. Para el trimestre que terminó el 28 de septiembre de 2024, en el que la compañía lanzó su línea iPhone 16, AirPods 4 y Apple Watch Series 10 con funciones para la salud auditiva y detección de apnea del sueño, el gigante tecnológico publicó unos ingresos de $94,9 mil millones.
Mientras tanto, Google está capturando el mercado wearable a través de Fitbit, que adquirió en 2021. La empresa china Huawei también lanzó este año su sistema TruSense para impulsar los próximos wearables. Otros nombres notables en el sector incluyen Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), y Garmin.
Conclusión
La tecnología wearable es un mercado de rápido crecimiento que está recibiendo mucho interés y desarrollo. Además, los avances en la tecnología termoeléctrica, como los logrados por el equipo de QUT, están allanando el camino hacia un futuro más avanzado donde estos dispositivos ya no dependan de baterías, lo que a su vez conduce a wearables más ligeros y eficientes.
Pero aunque todos estos avances en materiales y diseño están impulsando el mercado global de wearables, aún existen desafíos en cuanto a costo, escalabilidad y durabilidad. Solo a través de una mayor innovación, colaboración continua e inversión incrementada que todos estos avances puedan ponerse en uso en aplicaciones prácticas e integrarse en nuestra vida diaria!
