Voisimmeko pian virrata elektronisia laitteitamme kannettavilla energiankerääjillä?

Elektronisten laitteiden joustavuus

Älypuhelimien myötä olemme tottuneet kantamaan elektroniikkaa mukanamme koko ajan. Tämä tapahtuu kuitenkin edelleen kömpelön metallin ja muovin lohkona, joka vuosittain vain kasvaa ja painaa enemmän.

Seuraava askel olisi sisällyttää elektroniset laitteet vaatteisiimme saumattomammin. Tämä on jo alkanut kannettavilla elektroniikkalaitteilla, kuten älykelloilla ja muilla terveyteen keskittyvillä kannettavilla laitteilla.

Yksi askel pidemmälle olisi integroida elektroniikka suoraan vaatteisiimme. Tämä vaatisi kuitenkin erittäin joustavaa ja kevyttä materiaalia. Tässä suunnassa on tehty merkittävää edistystä:

• Taipuuvat näytöt integroidaan nyt säännöllisesti huippuluokan älypuhelimiin Samsungin ja Huawein toimesta.
• Polymeeripohjaisia taipuuvia ja venyttäviä akkuja kehitetään.
• Myös mikroprosessorit voidaan taivuttaa.

Jos siis näytöt, akut ja jopa prosessorit ovat nyt joustavia ja taipuuvia, mikä vielä estää meitä saamasta kannettavia laitteita integroitua vaatteisiin? Niiden kaikkien virransyöttö on edelleen merkittävä este.

Tämä saattaa kuitenkin muuttua kiitos korealaisten tutkijoiden löydön Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST):ssä, Hannam Universityssa, Yonsei Universityssa, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST):ssa, Korea Institute of Industrial Technology (KITECH):ssa ja Jeonbuk National Universityssa.

He kehittivät kannettavan energiankerääjän, joka on 280‑kertaa tehokkaampi kuin perinteiset laitteet, käyttäen uutta tyyppiä piezoelektristä energiankerääjää.

Se julkaistiin ACS Nanossa otsikolla “Kaaren‑spesifinen kytkentäelektrodin suunnittelu venytettävälle kolmiulotteiselle epäorgaaniselle piezoelektriselle nanogeneraattorille¹”.

Triboeletkristiset ja piezoelektriset laitteet

Triboeletkristiset generaattorit ovat yleisesti kutsuttuja elektrostaattisiksi, eli tapahtuma, jossa kaksi esinettä koskettavat tai liukuvat toistensa vasten. Tämä voi tuottaa jonkin verran sähköä, mutta on usein liian heikko virtaamaan elektroniikkaa.

Piezoelektrinen on ilmiö, jossa sähköä syntyy mekaanisen rasituksen, kuten taivutuksen tai puristuksen, seurauksena. Tähän mennessä suurin osa piezoelektrisistä energiankerääjistä on valmistettu orgaanisista tai komposiittipohjaisista piezoelektrisistä materiaaleista, joilla on alhainen energiatehokkuus.

Professori Jangin tiimi käytti toista materiaalia: lyijy‑zirkoniittititaani (PZT).

Lähde: DGIST

PZT-piezoelektrinen generaattori

PZT:n on pitkään tiedetty tarjoavan erinomaisen piezoelektrisen suorituskyvyn, mutta se on myös kova ja hauras. Siksi sen käyttäminen venytettävissä laitteissa ja luottaminen liikkeeseen energian tuottamiseksi ei vaikuta todennäköiseltä kestävän kannettavan generaattorin luomiseksi.

Tutkijat tarkastelivat, miten suunnitella PZT-pohjainen 3D-rakenne, joka olisi väistämätön muodonmuutoksille ja takaisi venyvyyden säilyttäen piezoelektrisen kyvyn.

Ensimmäinen askel oli luoda kaareva elektrodi, jonka kupera muoto tuottaa energiaa venytettäessä.

Lähde: ACS Nano

Sen jälkeen he kootivat näiden elektrodien ketjuja toisiinsa, samankaltaisesti kuin kankaan verkko tai oksakori.

Lähde: ACS Nano

Ongelmien ratkaiseminen

Koska elektrodit ovat lomittuneet, ne voivat helposti kumota toistensa vaikutuksen. Tämän välttämiseksi elektrodit jaettiin kuperiin ja koveriin alueisiin indusoidun lähtöjännitteen suunnan mukaan.

Virtaa voidaan tuottaa kehon millä tahansa liikkeellä, kuten tutkijat testasivat polvessa, kädessä tai jopa sormissa.

Lähde: ACS Nano

Tämä loi erittäin tehokkaan piezoelektrisen generaattorin, joka osoittaa sekä äärimmäistä venyvyyttä että korkeinta virrantiheyttä kaikista tämän tyyppisistä laitteista.

Lähde: ACS Nano

“Tämän erittäin tehokkaan venytettävän piezoelektrisen energiankerääjäteknologian kehittäminen on merkittävä saavutus tässä tutkimuksessa. Odotamme, että tämä teknologia tulee hyödylliseksi kaupallistamisen jälkeen ja johtaa kannettavien energiankerääjien käytännön sovelluksiin.”

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

Sovellukset

Kannettavat laitteet

Suorin sovellus olisi virrata vaatteisiin integroitua elektroniikkaa liikkeen aikana, esimerkiksi kävellessä.

Tämä voisi olla hyödyllistä kannettaville laitteille, erityisesti terveyden seurantalaitteille, jotka eivät olisi riippuvaisia tavallisesta akun lataamisesta.

Lääketieteelliset implantit

Yksi erityinen implantaattityyppi voisi hyötyä merkittävästi tältä generaattorilta: sydänimplantit.

Sydän liikkuu ja supistuu jatkuvasti, mikä voi tarjota vakaan energialähteen tällaisille lääketieteellisille implantaateille.

Tutkijat testasivat konseptia kapseloimalla generaattorin polyimidikalvoon. Tämä oli tarpeen PZT:n tehokkaaseen eristämiseen bioesteistä ja kudoksista, sillä PZT voi olla myrkyllistä.

Lähde: ACS Nano

Sotilas

Toinen sovellus voisi olla sotilasalueella, jossa jalkaväki on yhä riippuvaisempi suurta virtaa kuluttavista antureista, viestinnästä, elektronisesta sodankäynnistä ym.

On käytännössä mahdotonta odottaa, että taisteluosastot kuljettavat sotkuisia kaapeleita ja akkuja. Samanaikaisesti heidän on jo hallittava aseensa, ammuksensa, telekommunikaatioratkaisunsa ym. Piezoelektrinen generaattori, joka on suoraan kytketty joustaviin elektroniikoihin sotilaiden univormussa, voisi olla hyvä vaihtoehto.

Sijoittaminen kannettaviin laitteisiin

Kannettavan teknologian odotetaan kasvavan 14,6 % CAGR:lla vuoteen 2030, 2022:n 61,2 miljardia dollarista.

Lähde: Grand View Research

Voit sijoittaa kannettaviin laitteisiin liittyviin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, sivulta securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Iso-Britanniassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä yrityksiä, voit myös tarkastella ETF:iä, kuten iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) tai SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), jotka tarjoavat monipuolisemman altistuksen kasvavalle kannettavien ja lääketieteellisten laitteiden alalle.

Voit myös tutustua artikkeliimme “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Kannettavien laitteiden yritys

Kannettavien laitteiden rakentaminen

Yksi tapa rakentaa joustavaa elektroniikkaa on käyttää polymeerejä. Toinen tapa on käyttää erittäin joustavaa ja myrkytöntä metallia, galliumia, josta käsittelimme omassa sijoitusraportissa.

Auringonenergia, piezoelektrisen vaikutuksen lisäksi, voisi myös ladata joustavia kannettavia laitteita. Tämä voitaisiin toteuttaa joko käyttämällä perovskiittisoluja tai ultra-ohuita orgaanisia fotovolttaisia teknologiaa.

Koninklijke Philips N.V.

Philips on tunnettu kuluttajaelektroniikan brändi (partakoneet, sähköhammasharjat), joka on yhtä aktiivinen terveydenhuollossa. Se oli vuoden 2022 MedTech‑patenttien hakeminen Euroopassa ykkönen.

Se on aktiivinen yhdistetyissä lääketieteellisissä tuotteissa, kannettavista laitteista kuvantamiseen, hengityslaitteisiin tai lääketieteellisiin robotteihin. Yritys on myös mukana puolijohteissa (mukaan lukien maglev‑teknologia) ja korkean teknologian/robotiikan/automaation alalla.

Lähde: Philips

Philipsin kannettavat laitteet tarjoavat sydämen, hengityksen ja aktiivisuuden mittauksia. Sen antureita voidaan integroida älykelloihin, terveysmonitoriin, lääketieteellisiin laastareihin ja aktiivisuusmittareihin.

Kannettavien laitteiden osalta Philips suosii kumppanuusratkaisua, jossa se kehittää kolmansille osapuolille “niiden” yhdistettyjä IoT‑ (Internet of Things) lääketieteellisiä laitteita, jotka ovat täysin yhteensopivia Philipsin muiden ratkaisujen kanssa. Tässä yhteydessä se tarjoaa asiakkailleen prototyyppien suunnittelua, sääntelyneuvontaa, täyden tuotekehityksen ja teollisen mittakaavan tuotannon.

Tämä tekee Philipsista teknologiaan keskittyvän yrityksen ja todennäköisen ehdokkaan nopeaan joustavien piezoelektristen generaattorien integrointiin olemassa oleviin lääketieteellisiin laitteisiin.

Vuonna 2023 Philipsin laitteet vaikuttivat suoraan 1,82 miljardiin ihmiseen.

Yritys haluaa luoda täysin integroidun digitaalisen terveydenhuollon ympäristön, jossa anturit vastaavat laitteita, ja käyttää useita yhteysratkaisuja integroitumaan Philips HealthSuite Cloud -ratkaisuun ja mahdollistamaan syvällisen data-analytiikan.

Lähde: Philips

MedTech‑alan toimittajana Philips ei ole yhtä näkyvä alalla kuin muut suuremmat yritykset. Kuitenkin se on asiantuntija korkean suorituskyvyn elektronisten laitteiden ja antureiden rakentamisessa, usein työntäen rajoja siitä, mitä on mahdollista sen terveydenhuollon ja kannettavien laitteiden niche‑alueella.

Kun kannettavat laitteet integroituvat yhä enemmän terveydenhuoltoon ja lääketieteellisiin protokolliin, Philipsin terveydenhuoltosegmentti todennäköisesti kasvaa osana konsernia.

Tutkimusviite:

^{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). Kaaren‑spesifinen kytkentäelektrodin suunnittelu venytettävälle kolmiulotteiselle epäorgaaniselle piezoelektriselle nanogeneraattorille. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}