Haptiset energiankerääjät tekevät sinusta oman akkupankkisi

Olet varmasti kuullut termit Haptinen energia tai Haptinen palautte. Termiä on käytetty usein näinä puettavan teknologian aikoina. Vuonna 2024, valtava määrä 534 miljoonaa puettavaa laitetta toimitettiin maailmanlaajuisesti

Nämä laitteet sisälsivät laajan valikoiman elektronisia laitteita, kuten älykelloja, kuntoiluseurantalaitteita, kuulokkeita, laajennettua todellisuutta hyödyntäviä laitteita, eli VR-laseja ja lisätyn todellisuuden laseja. Puettavan elektroniikan nousun myötä haptisen energian paradigma on syntynyt.

Viimeisten neljän vuosikymmenen aikana elektroniikan tärkein viestintämenetelmä on ollut kuuloinen tai visuaalinen palaute, jossa viestinnän pääkieli on ollut ääni ja valo. Mutta tänään haptinen palaute on tullut toiseksi tavaksi, jolla elektroniikka kommunikoi ihmisten kanssa käyttäen heidän tuntoaistiaan.

Älypuhelimet, älykellot, kuntoiluseurantalaitteet – kaikki nämä kannettavat akkukäyttöiset järjestelmät voivat hyödyntää haptista palautetta. Sovelluksena se on vakiintunut kuluttaja-, teollisuus- ja autoteollisuuden käyttöön, kuten älypuhelimet, tabletit, hiiret, pankkiautomaatit ja ajoneuvojen infotainment-järjestelmät.

Nyt tutkijaryhmä on onnistuneesti soveltanut haptista energiaa puettaviin laitteisiin¹. Kun puheenvuoroa heidän tutkimuksensa tarkoituksesta ja sen merkityksestä, Saad Khan, yhteisvastuullinen kirjoittaja ja INVISTA:n kemian- ja biomolekyylitekniikan professori NC State -yliopistossa, sanoi seuraavaa:

“Aloitimme sitten sarjan kokeita tutkiaksemme, voisimmeko käyttää amfifiilejä materiaalien muokkaamiseen ja sisällyttää ne haptisten energiankerääjien osaksi.”

Saadaksemme lisätietoa tutkimuksesta ja sen saavutuksista, sukellamme siihen tarkemmin seuraavassa osassa.

Liukkaan pinnan kokoamien amfifiilien puristaminen säädettäviin haptisiin energiankerääjiin

Lähde: NC State University

Tutkijat huomasivat, että toistuva haaste ympäristön liikkeestä energian keräämisessä oli se, että laitteiden on säilytettävä korkea keräysteho ja positiivinen käyttökokemus, kun niiden käyttöliittymä käy läpi dynaamista puristusta. Tutkijat osoittivat, että pienet amfifiilit voitaisiin käyttää kitkan, haptisen palautteen ja triboelektristen ominaisuuksien säätämiseen kokoamalla ne tiettyihin konformaatioihin materiaalien pinnalle. Amfifiilit ovat molekyylejä, joita usein käytetään kuluttajatuotteissa vähentämään kitkaa ihmisen ihon kanssa. Esimerkiksi näitä molekyylejä lisätään usein vaipoihin ehkäisemään hankausta.

Kun hän puhui tehtävästä ja sen taustalla olevista motivaatiosta, Lilian Hsiao, työn paperin vastaava tekijä ja Pohjois-Carolinan osavaltion yliopiston kemian- ja biomolekyylitekniikan apulaisprofessori, sanoi seuraavaa:

“Asetimme tavoitteeksemme kehittää malli, joka antaisi meille yksityiskohtaisen perustavanlaatuisen ymmärryksen siitä, miten eri amfifiilit vaikuttavat eri materiaalien pinnakitteeseen.”

Tutkijat havaitsivat, että molekyylit, jotka muodostavat paineen alaisena useita liukupintoja, erityisesti π-π pinnoittumisen kautta, tuottavat 80–90 % alhaisemman kitkan kuin ne, jotka muodostavat epäjärjestäytyneitä mesorakenteita. Tämän seurauksena tutkijat ehdottivat skaalauskehystä kitkan vähentämisominaisuuksille, joka ottaa huomioon adheesion ja kosketusmekaniikan.

Saavuttaessaan tavoitteensa tutkijat huomasivat, että amfifiilikerroksiset pinnat vastustivat kulumista ja tuottivat erottuvan taktiilisen kokemuksen, ja ihmiset suosivat liukkaampia materiaaleja. Toisella tasolla tutkijat pystyivät myös parantamaan triboelektristä tuotosta käyttämällä amfifiilejä, joilla on korkea elektronin affiniteetti.

Kaiken kaikkiaan molekyylit, jotka voivat itseorganisoitua liukuviksi tasoiksi paineen alaisena, edustivat helppoa tapaa edistää haptisten energiankerääjien kehittämistä mittakaavassa. Käytännön esimerkinä tutkijat havaitsivat, että amfifiilejä voidaan käyttää luomaan puettavia kankaita liukuvilla pinnoilla, jotka tuntuvat miellyttäviltä ihmisen iholla.

Lisäksi tutkijat havaitsivat, että jotkut amfifiilit, johtuen niiden sisäisistä elektronisista ominaisuuksista, voivat toimia elektronin lahjoittajina. Nämä elektronin lahjoittavat amfifiilit, kun ne sisällytetään puettaviin materiaaleihin, tuottavat mukavan materiaalin, joka kykenee tuottamaan sähköä kitkasta, joka syntyy hankaamalla ihmisen ihoa tai muita pintoja vastaan.

Yhteenvetona, kuten Hsiao korosti, konseptitestauksessa tutkijat havaitsivat, että nämä amfifiilimateriaalit eivät ainoastaan tuntuneet hyvältä iholla, vaan pystyivät tuottamaan jopa 300 volttia, mikä oli merkittävää pienelle materiaalikappaleelle.

Saad Khanin mukaan:

“Olemme kiinnostuneita tekemään enemmän näiden materiaalien hyödyntämiseksi, kuten tutkimaan miten ne voidaan sisällyttää olemassa oleviin haptisiin laitteisiin. Ja olemme avoimia yhteistyölle teollisuuden kumppaneiden kanssa uusien sovellusten löytämiseksi.”

Vaikka tutkimuksen ja sen teollisen omaksumisen on kuljettava käsi kädessä, on useita yrityksiä, jotka ovat jo syvästi mukana tutkimassa tuotteita, jotka keräisivät energiaa kehosta puettavien teknologialaitteiden käyttöön. Seuraavissa osioissa käsittelemme muutamaa tällaista edelläkävijäyritystä, jotka voisivat hyötyä tällaisesta tutkimuksesta.

1. Medtronic PLC

Yksi yrityksistä, joka on työskennellyt laajasti puettavan teknologian parissa, on puettavan teknologian Medtronic. Tämä suuri julkinen med-teknologiayritys on ehkä yksi parhaiten asemoituista hyödyntämään haptisia energiankerääjiä. 

Yksi Medtronicin merkittävimmistä tuotteista on BioButton, moniparametrinen, lääketieteellisen tason puettava laite, joka on suunniteltu älykkääseen potilaan seurantaan. Se tarjoaa trenditietoja keskeisistä elintoiminnoista ja biometrisistä tiedoista, toimien varhaisena indikaattorina potilaan heikkenemiselle.

Suunniteltu jatkuvaan potilaan heikkenemisen johtavien indikaattorien seurantaan, monitori voi mitata lepopuhdistusnopeutta, leposydämen sykettä, ihon lämpötilaa ja sarjan biometrisiä tietoja. Puettava laite mahdollisti tutkijoille trenditietojen tutkimisen auttaakseen kliinikoita tunnistamaan potilaat, jotka saattavat tarvita kliinistä puuttumista, ja ne, jotka voivat olla valmiita kotiutukseen.

Vuonna 2022 Medtronic solmi strategisen kumppanuuden BioIntelliSense:n, jatkuvaa terveyden seurantaa ja kliinistä älykkyyttä tarjoavan yrityksen, kanssa BioButtonin eksklusiivisten Yhdysvaltain sairaaloiden ja 30 päivän post-akuutin sairaalasta kotiin -jakeluoikeuksien osalta.

Kumppanuuden julkistamisen yhteydessä Frank Chan, Ph.D., Patient Monitoring -liiketoiminnan presidentti, joka oli osa Medtronicin Medical Surgical -portfoliota, sanoi seuraavaa:

“Visiomme on valtuuttaa kliinikot ja potilaat toimivilla tiedoilla personoimaan hoitoa — milloin tahansa, missä tahansa. Yhteistyömme BioIntelliSense:n kanssa tukee jatkuvaa, yhdistettyä hoitoa sairaalassa ja kotona ja laajentaa tavoitettavuuttamme auttaaksemme enemmän potilaita useammissa paikoissa kuin koskaan aiemmin.”

Olennaisin maailmanlaajuisista med-teknologiayrityksistä, Medtronic on ehkä parhaiten asemoitu hyötymään tällaisesta tutkimuksesta. Toukokuussa 2024 Medtronic ilmoitti taloudelliset tuloksensa neljännelle neljännekselle ja tilikaudelle 2024. Yritys raportoi Q4-liikevaihdoksi 8,6 miljardia dollaria, mikä on 0,5 % nousu ilmoitetun mukaan ja 5,4 % orgaaninen kasvu. Yritys raportoi FY 24-liikevaihdoksi 32,4 miljardia dollaria, mikä on 3,6 % nousu ilmoitetun mukaan ja 5,2 % orgaaninen kasvu.

2. Philips

Kuten Medtronic, toinen teknologiagigantti, joka on panostanut paljon T&K-pyrkimyksiin kehittääkseen huipputason puettavaa teknologiaa, on Philips. Philipsin potilaiden käyttämät seurantaratkaisut antavat potilaille vapauden liikkua hoitoyksikössä tai sairaalassa.

Mukavuuteen suunnitellut Phillipsin potilaiden käyttämät laitteet käyttävät langatonta tekniikkaa tiedon ja hälytysten lähettämiseen sinne, missä niitä tarvitaan, kuten keskitettyyn hoitajayksikköön, etäseurantaympäristöön tai hoitajan mobiililaitteeseen. Laitteet tarjoavat laajan mittauskyvykkyyden vastatakseen yleisten ja keskivaiheen hoidon potilasryhmien kliinisiin tarpeisiin.

Tuotteen brändinimi on Intellivue MX40. Käyttäjät voivat käyttää IntelliVue MX40:aa kertakäyttöisillä AA-paristoilla tai yhdellä Philipsin ladattavalla paristolla. Laite mahdollistaa johdetun 12-kanavaisen EKG-tiedon saamisen samalla kun se jatkuvasti seuraa ST- ja QT-aaltoja, FAST SpO2:ta ja impedanssihengitystä. Enintään viidellä näytön muodolla tarvittavat tiedot ovat helposti saatavilla yhdellä kosketuksella.

Laitteessa on langaton lyhyen kantaman yhteys IntelliVue-monitoriin elintoimintojen kaappaamiseksi tai laajemman tarkastelun mahdollistamiseksi. Laitteessa on ainutlaatuinen kaapelikytkin, joka on suunniteltu vähentämään lian ja nesteiden kerääntymistä, sekä kotelomalli, joka kestää korkeatasoisia desinfiointiaineita, mukaan lukien säännöllinen sterilointi.

Viimeisimpien saatavilla olevien tietojen mukaan, vuonna 2023 Philips kirjasi 18,2 miljardia euroa myyntiä 6 % vertailukelpoisen myynnin kasvulla ja säädetyn EBITA-marginaalin 10,6 % 

Vaikka suuret teknologiayritykset kuten Medtronic ja Philips kehittävät tuotteita, jotka voivat hyötyä merkittävästi haptisista energiankerääjistä, useat muut tutkimusorganisaatiot ovat työskennelleet samankaltaisten linjojen parissa.

Seuraavissa osioissa käsittelemme muutamia tällaisia tutkimuksia, joilla on potentiaalia mullistaa sovelluksia tällä alalla.

Sähköinen prototyyppi, joka kerää energiaa kehon lämmöstä ja muuntaa sen sähköksi

Syyskuussa 2024 Washingtonin yliopiston tutkijat raportoivat joustavan, kestävän sähköisen prototyypin kehittämisestä, joka pystyy keräämään energiaa kehon lämmöstä ja muuntamaan sen sähköksi pienten elektronisten laitteiden, kuten paristojen, antureiden tai LED-valojen, virtaamiseen. Laitteen kestävyys pitää sen käyttökelpoisena, vaikka se olisi lävistetty useita kertoja ja venytetty jopa 2000 kertaa.

Vanhemman kirjoittajan, UW:n koneenrakennuksen apulaisprofessorin Mohammad Malakooti, mukaan:

“Kun asetat tämän laitteen iholle, se käyttää kehosi lämpöä suoraan LEDin virransyöttöön. Heti kun laitteen asetat, LED syttyy. Tämä ei ollut aiemmin mahdollista.”

Toiminnallisesti tarkennettuna laitteessa on kolme pääkerrosta. Keskimmäinen kerros sisältää jäykkiä termoelektrisiä puolijohteita, jotka muuntavat lämmön sähköksi. Nämä puolijohteet on ympäröity 3D-tulostetuilla komposiiteilla, joilla on alhainen lämmönjohtavuus, mikä parantaa energiamuunnosta ja vähentää laitteen painoa.

Lisäksi venyvyyden, johtavuuden ja sähköisen itseparantumisen tarjoamiseksi puolijohteet on yhdistetty painettuihin nestemetallijälkiin. Lisäksi ulkokerroksiin upotetut nestemetallipisarat parantavat lämmön siirtymistä puolijohteisiin ja säilyttävät joustavuuden, koska metalli pysyy nestemäisenä huoneenlämmössä.

Kun puheenvuoroa teknologian eduista ja sen laajemmasta tarkoituksesta, Mohammad Malakooti sanoi seuraavaa:

“Tämä voisi olla erityisen hyödyllistä datakeskuksissa, joissa palvelimet ja tietokoneet kuluttavat merkittävän määrän sähköä ja tuottavat lämpöä, mikä vaatii vielä enemmän sähköä niiden jäähdyttämiseen. Laitteemme voivat kerätä tätä lämpöä ja käyttää sitä lämpö- ja kosteusantureiden virransyöttöön.”

Hän lisäsi:

“Tämä lähestymistapa on kestävämpi, koska se luo itsenäisen järjestelmän, joka valvoo olosuhteita samalla kun vähentää kokonaisenergiankulutusta. Lisäksi ei tarvitse huolehtia huollosta, paristojen vaihtamisesta tai uusien johtojen lisäämisestä.”

Tulevaisuudessa tutkijat olivat optimistisia teknologian soveltamisesta virtuaalitodellisuusjärjestelmiin ja muihin puettaviin lisälaitteisiin, jotta voitaisiin luoda kuumia ja kylmiä tuntemuksia iholla tai parantaa yleistä mukavuutta.

Kolme vuotta ennen tätä, lokakuussa 2021, CU Boulderin tutkijat tekivät vastaavan läpimurron. Tarkastelemme tuota tutkimusta seuraavassa osassa.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja älykankaasta, joka muuntaa kehon lämmön energiaksi.

Puettava laite, joka muutti kehon akuksi

CU Boulderin tutkijat kehittivät uuden, edullisen puettavan laitteen, joka voisi muuttaa ihmisen kehon biologiseksi akuksi.

Laitteen yksi houkuttelevimmista ominaisuuksista oli, että se oli tarpeeksi joustava käytettäväksi sormuksena, rannekoruna tai muuna lisävarusteena, joka kosketti käyttäjän ihoa. Se hyödyntää henkilön luonnollista lämpöä – käyttämällä termoelektrisiä generaattoreita kehon sisäisen lämpötilan muuntamiseen sähköksi.

Laite pystyi tuottamaan noin 1 voltin energian jokaiselta neliösentiltä ihon pinnalta – vähemmän jännitettä per pinta-ala kuin useimmat nykyiset akut, mutta silti riittävästi virittämään elektroniikkaa kuten kelloja tai kuntoiluseurantalaitteita.

Tutkijat hyödynsivät pohjaa, joka oli valmistettu joustavasta polyimiinimateriaalista, ja kiinnittivät siihen sarjan ohuita termoelektrisiä siruja, yhdistäen ne kaikki nestemetallilangalla. Valmis tuote näytti yhdistelmältä muovista rannekorua ja pientä tietokoneen emolevyä tai ehkä teknistä timanttisormusta.

Ratkaisu oli tarpeeksi joustava, jotta sen tehoa voitaisiin vahvistaa lisäämällä lisää generaattorilohkoja. Yksi tutkijoista vertasi ratkaisua siihen, miten käsittelemme Legoja:

“Se on kuin kokoaisit pienen Lego-palasen suuren rakenteen muodostamiseksi. Se antaa sinulle paljon räätälöintimahdollisuuksia.”

Erittäin ohut, joustava kalvo, joka virvoittaa seuraavan sukupolven puettavat laitteet

Uudempi tutkimus, jota johti Queenslandin teknillisen yliopiston tiimi, kehitti erittäin ohut, joustavan kalvon, joka voi virvoittaa seuraavan sukupolven puettavia laitteita kehon lämmön avulla, poistaen tarve akuille.

Lisäksi teknologia voisi jäähdyttää elektronisia siruja, auttaen älypuhelimia ja tietokoneita toimimaan tehokkaammin.

Professori Zhi-Gang Chen mukaan, jonka tiimin uusi tutkimus julkaistiin arvostetussa lehdessä Science:

“Joustavat termoelektriset laitteet voidaan käyttää mukavasti iholla, missä ne tehokkaasti muuttavat ihmisen kehon ja ympäröivän ilman lämpötilaeron sähköksi.”

Kun puheenvuoroa teknologian mahdollisesta sovelluksesta, professori Chen korosti, että sitä voitaisiin käyttää ahtaassa tilassa, kuten tietokoneen tai matkapuhelimen sisällä, auttaen jäähdyttämään siruja ja parantamaan suorituskykyä.

Muita sovelluksia olivat henkilökohtainen lämpöhallinta, jossa kehon lämpö voisi virvoittaa puettavaa lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmää. Tutkijat mainitsivat myös joitakin haasteita, jotka pätevät samankaltaisiin innovaatioihin. Näihin haasteisiin kuului rajoitettu joustavuus, monimutkainen valmistus, korkeat kustannukset ja riittämätön suorituskyky.

Kuitenkin nykyinen tutkimus tarjosi joitakin ratkaisuja kustannusten hallintaan. Vaikka suurin osa tutkimuksesta tällä alalla on keskittynyt bismutti‑telluridi‑pohjaisiin termoelektrisiin materiaaleihin, jotka arvostetaan niiden korkeista lämmön sähköksi muuntavista ominaisuuksista, tiimi esitteli kustannustehokkaan teknologian joustavien termoelektristen kalvojen valmistamiseen käyttämällä pieniä kristalleja, eli “nano sidoksia”, jotka muodostivat tasaisen kerroksen bismutti‑telluridi‑levyjä, lisäten sekä tehokkuutta että joustavuutta.

Tarkemmin sanottuna tiimi käytti “solvothermal synthesis” -menetelmää, tekniikkaa, jossa nanokiteet muodostuvat liuottimessa korkeassa lämpötilassa ja paineessa, yhdistettynä “screen‑printing”‑ ja “sintering”‑menetelmiin.

Tutkijat loivat tulostettavan A4‑kokoisen kalvon, jolla on ennätyksellisen korkea termoelektrinen suorituskyky, poikkeuksellinen joustavuus, skaalautuvuus ja alhaiset kustannukset. Näytetulostusmenetelmä mahdollisti laajamittaisen kalvon tuotannon, kun taas sinteröinti kuumensi kalvot lähes sulamispisteeseen, sitaten hiukkaset yhteen.

Ratkaisu voisi toimia myös muiden järjestelmien kanssa, kuten hopeaseleniidi‑pohjaisten termoelektristen materiaalien kanssa, jotka olivat mahdollisesti halvempia ja kestävämpiä kuin perinteiset materiaalit.

Lopuksi

Onnistunut energianhallinta on kehittynyt kriittiseksi raja‑arvoksi, joka voi tehdä tai rikkoa teknologisen ratkaisun. Kehon lämmön hyödyntäviä energiankeräystekniikoita puettavan teknologian virvoittamiseen ovat lupaavin lähestymistapa, sillä ne varmistavat tehokkuuden ilman ulkoista energiaa tai virtaa. Näistä pyrkimyksistä syntyvät ratkaisut ovat kestäviä. Kasvavan käyttöönoton myötä on vain ajan kysymys, ennen kuin nämä ratkaisut soveltuvat laajamittaiseen kaupalliseen tuotantoon, mikä vähentää kustannuksia ja parantaa saatavuutta.

Study Reference:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compressing slippery surface-assembled amphiphiles for tunable haptic energy harvesters. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}