Laskenta
Termoelektrinen laitevallankumous vie kannettavat laitteet eteenpäin
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Queenslandin teknologian yliopiston (QUT) tutkimusryhmä on kehittänyt joustavan ja erittäin ohut kalvon kannettavien laitteiden virransyöttöön pelkästään kehon lämmöllä, poistaen siten tarve akuille.
Uutta teknologiaa voitaisiin myös käyttää elektronisten sirujen jäähdyttämiseen älypuhelimissa ja tietokoneissa, mikä auttaa niitä toimimaan tehokkaammin ja parantaa niiden vakautta.
Läpimurto, professori Zhi-Gang Chenin, Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC) – ARC Research Hubin perustajajohtajan, mukaan, käsittelee keskeistä haastetta termoelektrisen laitteen luomisessa, joka muuntaa kehon lämmön sähköksi. Laitteella on potentiaalia olla kestävä energialähde kannettaville elektroniikkalaitteille.
Kun puhutaan joustavista termoelektrisistä laitteista, professori Chen selitti, että:
“Ne voidaan pukea mukavasti iholle, missä ne tehokkaasti muuntavat ihmisen kehon ja ympäröivän ilman lämpötilaeron sähköksi.”
Poikkeuksellisen termoelektrisen kannettavan laitteen rakentaminen
Laitteet, jotka voivat muuntaa kehon lämmön energiaksi, ovat valtavan kiinnostuksen ja tutkimuksen kohteena, mutta ne kohtaavat tällä hetkellä haasteita, kuten korkeat kustannukset, monimutkainen valmistus, rajoitettu joustavuus ja riittämätön suorituskyky, mikä estää niiden massatuotannon ja käyttöönoton.
Viimeisimmässä tutkimuksessa julkaistu tiedelehdessä Science, QUT-tiimi esitteli kustannustehokkaan menetelmän joustavien termoelektristen kalvojen luomiseen. Tähän he käyttivät pieniä kristalleja tai ‘nanokytkimiä’, jotka muodostavat tasaisen kerroksen bismutti‑telluridi-levyjä, lisäten sekä joustavuutta että tehokkuutta.
Bismutti‑telluridi (Bi2Te3) on tutkijoiden suosima materiaali tällaisten laitteiden rakentamiseen. Harmaa jauhe on bismutin ja telluurin yhdiste. Kemiallisesti vakaa puolijohde osoittaa erinomaisia ominaisuuksia, jotka muuntavat lämmön sähköksi, tehden siitä ihanteellisen pienitehoisiin sovelluksiin, kuten liikkeen, sykkeen ja lämpötilan mittaamiseen.
Joten QUT-tiimi loi tulostettavan A4‑kokoisen kalvon “ennätyksellisen korkean termoelektrisen suorituskyvyn, poikkeuksellisen joustavuuden, skaalautuvuuden ja alhaisen kustannuksen kanssa, tehden siitä yhden parhaista saatavilla olevista joustavista termoelektrisistä”, professori Chen sanoi.
Tulostettava kalvo QUT-tiimiltä koostuu Bi2Te3‑pohjaisista nanolaatikoista, jotka ovat voimakkaasti orientoituneita jyviä, ja Te‑nanorodit toimivat “nanokytkimiä”.
Tässä käytetty tekniikka oli “solvotermaalinen synteesi”, joka muodostaa nanokiteet liuoksessa korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Tämä tekniikka yhdistettiin “sinteröintiin”, joka lämmittää kalvot lähes sulamispisteeseen sitouttaen hiukkaset yhteen, sekä “ruiskutulostukseen”, joka mahdollistaa kalvojen massatuotannon.
Tiimin käyttämä menetelmä voisi toimia myös muiden epäorgaanisten järjestelmien, kuten hopeaseleniidi (Ag2Se)‑pohjaisten termoelektrien, kanssa, jotka ovat mahdollisesti halvempia ja kestävämpiä kuin perinteiset materiaalit, osoittaen tekniikan laajan sovellettavuuden.
“Tämä materiaalien joustavuus osoittaa laajat mahdollisuudet, joita lähestymistapamme tarjoaa joustavan termoelektrisen teknologian edistämiseksi.”
– Tutkimuksen ensimmäinen tekijä, Wenyi Chen
Laitteen, tutkimuksen mukaan, saavuttama normalisoitu tehopitoisuus oli >3 μW cm−2 K−2, minkä tiimi toteaa olevan “korkein näytetulostetuissa laitteissa”.
Tämän myötä viimeisin tutkimus tarjoaa tehokkaan ratkaisun kannettaville laitteille, kuten älykelloille ja henkilökohtaiselle lämmönhallinnalle. Lisäksi näitä termoelektrisiä laitteita voidaan käyttää ahtaassa tilassa, kuten matkapuhelimen sisällä, auttaen sirujen jäähdyttämisessä ja suorituskyvyn parantamisessa.
Esimerkiksi, kun kalvoa käytetään laitteen sisällä, se voi alentaa sirun lämpötilaa jopa 11,7 Kelvinin, auttaen näin ylläpitämään optimaalista suorituskykyä elektronisissa laitteissa.
Jos tiimi onnistuu parantamaan tämän joustavan sähköisen laitteen suorituskykyä, he pystyvät suoraan virrannoimaan tulevaisuuden älypuhelimia, toteaa Chen virallisessa videossa nimeltä “Läpimurto tuo kehon lämmöllä toimivat kannettavat laitteet lähemmäs todellisuutta”, joka on julkaistu yliopiston YouTube-kanavalla.
Muita mahdollisia laitteen sovelluksia ovat ilmastointijärjestelmät ja ilmanvaihto. QUT:n tutkimusryhmä näkee myös termoelektristen laitteiden käytön älyvaatteissa ja autonosissa.
Tämä on vasta alkua; seuraavassa vaiheessa tiimi keskittyy teknologian suorituskyvyn optimointiin ja skaalaamiseen. Teknologian kaupallistaminen edellyttää lopulta kustannustehokkuuden, kestävyyden ja yhteensopivuuden haasteiden voittamista suuressa mittakaavassa.
Lisätutkimus ja jatkuva kehitys auttavat näitä laitteita mullistamaan energiatehokkuutta eri sektoreilla, kulutuselektroniikasta lääketieteellisiin ja autoteollisuuden sovelluksiin.
Klikkaa tästä saadaksesi tietoa siitä, miten terveyslaitteet edistävät ennaltaehkäisevää hoitoa.
Edistysaskelia kannettavassa teknologiassa
Nykymaailmassa, jossa teknologia on kehittynyt, kannettavat laitteet ovat nousseet suosituksi ja erittäin hyödylliseksi innovaatioksi.
Kannettavat laitteet ovat yksinkertaisesti mobiileja elektronisia laitteita, jotka on suunniteltu käytettäväksi kehossa tai kiinnitettäväksi vaatteisiin. Yleisiä kannettavan teknologian tyyppejä ovat älykellot, älylasit ja älykorut, kuten sormukset ja rannekkeet. Nämä laitteet seuraavat, analysoivat ja lähettävät henkilökohtaisia tietoja.
Yksi merkittävimmistä kannettavien laitteiden sovelluksista on terveydenhuolto. Niitä voidaan käyttää kehon lämpötilan, verenpaineen, sykkeen ja muiden elintoimintojen seuraamiseen. Näiden laitteiden käyttö laajenee myös fysiologisiin sairauksiin, kuten korkeaan verenpaineeseen ja lihassairauksiin, sekä neurokognitiivisiin häiriöihin, kuten Alzheimerin tautiin ja Parkinsonin tautiin. Kannettavia laitteita hyödynnetään myös lääkkeiden toimitusjärjestelmänä, auttaen terveydenhoidon personoinnissa.
Erilaisia kannettavia laitteita käytetään tällä hetkellä terveydenhuollon alalla. Tämä sisältää ihopohjaiset laitteet, kuten e-ihon, kannettavat liivit, älysormukset, kuulokkeet ja biofluidipohjaiset laitteet, jotka hyödyntävät sylkeä, kyyneleitä ja virtsaa.
Terveydenhoidon lisäksi kannettavia laitteita käytetään viestintään, maksujen tekemiseen ja aktiivisuustason seurantaan, sekä elämäntapa-, pelit-, urheilu-, kunto-, turvallisuus- ja puolustussektoreilla.
Vuosien varrella kannettava teknologia on kehittynyt monin tavoin. Aluksi tutkijat ja yritykset etsivät jatkuvasti parempia materiaaleja näiden laitteiden rakentamiseen. Joustavat, venytettävät materiaalit ja pehmeät, ultra‑ohut muotoilut mahdollistavat laitteiden mukavan käytön ja toiminnallisuuden säilymisen.
Esimerkiksi gallium‑pohjaiset nestemetallit, joilla on korkea johtavuus ja biokompatibiliteetti, johtavat bioelektroniikan kehitystä, joka sopii paremmin kehoon.
Mitä tulee suunnitteluun, teknologia on kehittynyt merkittävästi perinteisistä tavoista, ja nykyään painotetaan enemmän niiden saumatonta integrointia ihmisen kehoon. E‑tatuoinnit ovat erinomainen esimerkki; ne ovat äärimmäisen ohuita, ihon pehmeitä elektroniikkalaitteita, jotka mukautuvat ihoon ja voivat ei‑invasiivisesti digitalisoida fysiologista ja psykologista tietoa.
Näiden laitteiden miniaturisointi, yhdessä painetun elektroniikan ja älytekstiilien kanssa, on johtanut antureihin, jotka voivat seurata erilaisia fyysisiä parametreja, samalla kun elektrodeja upotetaan tekstiileihin toiminnan mittaamiseksi. Esimerkiksi kannettavat hikisensorit seuraavat jatkuvasti ja ei‑invasiivisesti terveysindikaattoreita hikin kautta, mahdollistaen tarkkuuslääketieteen.
Lähde: MDPI
Paljon edistystä tapahtuu myös kannettavissa älykemiallisissa sensoreissa, jotka löytävät yhä enemmän sovelluksia terveydenhuollossa, ympäristön seurannassa ja turvallisuuden arvioinnissa.
Erilaisia innovatiivisia lähestymistapoja on otettu sensorin suunnitteluun ja valmistukseen, ja yksi tällainen järjestelmä on suunniteltu havaitsemaan NO2 sisällyttämällä polyvinyyli alkohol / boora / agarose / NaNO3 elektrolyytti ja moniseinäiset hiilinanoputkielektrodit kultaisille nanosivuilla. Järjestelmä osoittaa parannettua suorituskykyä ja itsekorjauskykyä, mikä tekee siitä täydellisen kannettaviin sovelluksiin.
Kannettavien laitteiden rajoitteiden voittaminen
Kaikkien näiden innovaatioiden myötä kannettavat laitteet kehittyvät paremmiksi ja tehokkaammiksi, ja ne ovat muuttaneet eri toimialoja, erityisesti terveydenhuoltoa. Kuitenkin ne kärsivät rajoitteista, kuten vakaudesta ja yksityisyydestä.
Esimerkiksi näiden laitteiden sensoreista saadut tiedot voivat kärsiä vääristymistä ja kohinaa jatkuvan kehon liikkeen vuoksi.
Kannettavissa laitteissa käytetyt akut muodostavat toisen merkittävän haasteen. Energialähteiden rajoitteet ovat saaneet tutkijat etsimään erilaisia ratkaisuja, kuten piezoelektrisiä nanogeneraattoreita (PENG), jotka toimivat itsevirtaavina sensoreina, ja triboeelektrisiä nanogeneraattoreita (TENG), jotka toimivat pienikokoisina energiankerääjinä.
Termoelektriset generaattorit ovat erityisesti saaneet paljon huomiota kannettavien laitteiden alalla. Jo vuonna 2017 Zhejiangin yliopiston ja Xidianin yliopiston tutkijat julkaisivat artikkelin laitteen suunnittelusta, joka kerää ihmisen kehon energiaa.
Kuten viimeisin tutkimus, myös tämä käytti Bi2Te3‑pohjaista termoelektristä materiaalia laitteen luomiseen, joka pystyi tuottamaan 48 mV jännitteen 12 K lämpötilaerolle. Kun se kiinnitettiin ihmisen ranteen ihoon, termoelektrisen generaattorin teho oli 130,6 nW 25 °C ympäristölämpötilassa, mikä osoittaa sen potentiaalin ihmisen kehon lämmön energian keräämisessä ja kannettavien itsevirtaavien mobiililaitteiden kehittämisessä.
Vielä yksi tutkimus teki edistysaskeleita termoelektristen generaattoreiden (TEG) suunnittelussa kehon lämmön keräämiseen. Ongelmana on, että kehon lämpötilan ja ympäristön lämpötilan välinen ero on 10–15 °C, mutta vain pieni osa läpäisee kannettavan TEG:n ihon lämpövastuksen vuoksi.
Kannettavien TEG:ien haasteiden voittamiseksi kehitettiin kattava quasi‑3D‑analyysimalli, ja sen jälkeen käytettiin mikroaaltojen käsittelytekniikkaa korkean suorituskyvyn termoelektristen nanokomposiittien synteesissä, mikä johti merkittävään lämmönjohtavuuden vähenemiseen ja johti TEG:ien, jotka näyttävät 4–7‑kerran suuremman tehopitoisuuden kuin kaupalliset TEG:t ihmisen kehossa.
Vain tänä vuonna on julkaistu useita tutkimuksia, jotka keskittyvät kannettavien termoelektrisiin laitteisiin.
Muutama kuukausi sitten Washingtonin yliopiston tutkijat myös kehittivät erittäin joustavan ja pehmeän prototyypin, joka voi kerätä energiaa kehon lämmöstä ja muuntaa sen sähköksi, mikä voi sitten virrantaa pieniä elektroniikkalaitteita. Joustavien termoelektristen laitteidensa (TED) osalta UW-tiimi käytti 3D‑pehmeitä arkkitehtuureja, jäykkiä puolijohteita, monitoimisia komposiitteja ja itseparantuvia nestemetallijohtimia.
Energiankeruun lisäksi kaikkien näiden tutkimusten keskiössä on ollut kevyiden ja joustavien termoelektristen materiaalien kehittäminen, mukautuvien pintojen suunnittelu erilaisiin kehon osiin, kannettavien toiminnallisuuden parantaminen sekä kustannustehokkuuden ja skaalautuvuuden saavuttaminen.
Nopeasti kasvava kannettavien laitteiden markkina
Kannettavan teknologian kehitys ja siitä seuraava toiminnallisuuden parannus ovat lisänneet näiden laitteiden käyttöönottoa. Kasvava kiinnostus kannettaviin laitteisiin ennustaa markkinoiden kasvavan yli $150 miljardiin ennen tämän vuosikymmenen loppua.
Markkinat kannettaville laitteille, kuten älykelloille ja kuntoiluseurantalaitteille, ovat erityisesti nousseet jo jonkin aikaa. Ne räjähdyksellisesti kasvoivat pandemian aikana, kun henkilökohtainen terveys nousi kaikkien keskeiseksi. Nämä laitteet lisäävät myös mittareiden määrää, ja kun ne lähestyvät lääketieteellisiä laitteita, yhä useammat kuluttajat omaksuvat ne.
Kuntoilun ja terveydenhuollon lisäksi teknologiayritykset ovat erityisen kiinnostuneita virtuaali-, lisä- ja sekoitetun todellisuuden (VR, AR & MR) kannettavista laitteista. Älyvaatteet ja e‑tekstiilit ovat myös saaneet huomiota, mutta ne kohtaavat edelleen haasteita valmistuksen skaalautuvuudessa ja tuotetaloudessa.
Mielenkiintoista on, että kannettavien maksupalveluiden markkinan odotetaan kasvavan vahvalla vauhdilla, CAGR:n ollessa 13,6 % ja saavuttavan $120 miljardia. Tämä kasvu on vauhdittanut lähikenttäviestinnän (NFC) omaksuminen älypuhelimissa, kuntoiluseurantalaitteissa ja muissa kannettavissa laitteissa,
Kannettavan teknologian tuotetyyppeihin kuuluvat lisäksi elektroniset iholaput, rintaremmit, älylinssit ja kannettavat kamerat, jotka herättävät myös kiinnostusta.
Tuoreen raportin mukaan kannettavien laitteiden maailmanlaajuiset lähetykset odotetaan kasvavan yli 6 % vuodesta toiseen (YoY) tänä vuonna lähes 538 miljoonaan yksikköön. Tämä kasvu johtuu parantuneesta taloudesta ja kannettavien laitteiden kasvavasta omaksumisesta kehittyvillä alueilla.
Tämä kasvu on kuitenkin epätasainen eri sektoreilla, ja kannettavat laitteet, jotka edustavat yli 60 % kannettavien markkinoista, odotetaan saavan lisäpotkua hintojen vakautuessa. Älykellot sen sijaan odottavat 3 % laskua, ensimmäinen koskaan havaittu YoY‑pudotus, vaikka niiden odotetaan palautuvan 4,8 % kasvuun ensi vuonna. Tämä johtuu nousevista hinnoista ja vähäisistä muotoilumuutoksista.
Nousevat kannettavat laitteet
Kun puhutaan nousevista kannettavista laitteista, kuntoilu‑ ja terveydenhuoltosektorit johtavat kehitystä.
Terveydenhuollossa kannettavat elektrokardiogrammi (EKG) ‑laitteet, jotka ovat saatavilla älykelloina ja laastina, muuttavat etäsydänhoitoa. Nämä laitteet yhdistyvät sovelluksiin, jotka tallentavat EKG‑tiedot, ja lääkärit voivat tarkastella niitä etänä ja tarjota proaktiivista terveydenhallintaa, mikä johtaa terveellisempään elämäntapaan.
Nykyiset kannettavat laitteet mahdollistavat myös elintärkeiden merkkien jatkuvan keräämisen kehittyneiden sensoreiden avulla, jotka tarjoavat reaaliaikaisia tietoja käyttäjistään. Esimerkiksi jatkuva glukoosin seuranta (CGM) tarjoaa reaaliaikaisia näkymiä verensokeriin, jolloin potilaat voivat seurata terveyttään mukavasti kotonaan.
Yritysten keskuudessa on yhä enemmän keskitytty sykemittareihin. Casio G‑Shock Rangeman ‑älykellot on varustettu sykemittarilla, joka havaitsee tarkasti kehon liikkeet sekä luonnollisen ympäristön muutokset GPS:n ja sensoreiden avulla. Sen jälkeen on Garminin (GRMN ) sykemittarit, jotka on suunniteltu mukavaksi ja mahdollistavat naisten kiinnittää ne suoraan urheiluliiveihin.
Kuten näemme, helppokäyttöisyys on selvästi teknologia‑alan yritysten keskeinen tavoite kehittäessään kannettavia laitteita. Tämä pätee myös Oura‑älysormuksiin, jotka voidaan käyttää sormessa. Rengas on varustettu 3D‑kiihdyttimellä liikkeen määrittämiseksi, NTC‑anturilla kehon lämpötilan tarkkailuun ja PPG‑anturilla sykkeen seurantaan.
Sitten on Evie Smart Ring, joka on ottanut naiset ensisijaiseksi suunnittelussaan mahdollistamalla unen, sydämen terveyden ja kuukautiskierron seurannan. Kannettavat biosensorit puolestaan tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia stressinhallintaan havaitsemalla hienovaraisia muutoksia biomarkkereissa, kuten kortisolitasoissa.
Yritykset rakentavat myös kuulokkeita, jotka ohjaavat käyttäjiä harjoitusten aikana, kun taas erityiset hanskat, kuten GyroGlove, on suunniteltu Parkinson‑potilaille vähentämään vapinaa ja parantamaan elämänlaatua.
Viihdemaailmassa kannettavat laitteet, kuten Xreal Air, mahdollistavat sisällön katselun ja pelien pelaamisen, kun taas Metan (META ) älylasit mahdollistavat sisällön luomisen ja jakamisen. Sitten on kannettavia laitteita, kuten Ai Pin, joka toimii kahdeksan ytimen, 2,1 GHz Qualcomm (QCOM ) ‑prosessorilla ja voi ottaa valokuvia, lähettää tekstiviestejä ja vastata puheluihin.
Klikkaa tästä saadaksesi tietoa lämpökoruista.
Yritykset, jotka hallitsevat kannettavan sektorin
Kun puhutaan yrityksistä, Apple (AAPL ) on johtanut alaa vahvan älytuotteiden, kuten Apple Watchin, portfolion ansiosta. Kellon kattamia keskeisiä terveysmittareita ovat syke, hengitystiheys, ranteen lämpötila, veren happisaturaatio ja unen kesto.
AAPL Hintakaavio
Maailman suurin yritys markkina‑arvoltaan 3,75 triljoonaa dollaria, jonka osakkeet tällä hetkellä kaupankäynnissä hintaan 248 $, noussut 28,88 % tänä vuonna. Applella on EPS (TTM) 6,07 ja P/E (TTM) 40,88 sekä 0,40 % osinkotuotto. Tammikuun 28. päivänä 2024 päättyneelle neljännekselle, jolloin yritys lanseerasi iPhone 16‑sarjan, AirPods 4 ja Apple Watch Series 10 ‑ominaisuuksilla kuulo‑ ja uniapnean havaitsemiseen, teknologiavalan suuri tekijä julkaisi liikevaihdon 94,9 miljardia dollaria.
Sillä välin Google valloittaa kannettavan markkinan Fitbitin kautta, jonka se hankki vuonna 2021. Kiinalainen yritys Huawei lanseerasi myös tänä vuonna TruSense‑järjestelmänsä tulevien kannettavien laitteiden voimanlähteeksi. Muita merkittäviä nimiä alalla ovat Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), ja Garmin.
Yhteenveto
Kannettava teknologia on nopeasti kasvava markkina, joka herättää suurta kiinnostusta ja kehitystä. Lisäksi QUT‑tiimin saavuttamat läpimurrot termoelektrisessä teknologiassa raivaavat tietä kehittyneempään tulevaisuuteen, jossa nämä laitteet eivät enää ole riippuvaisia akuista, mikä puolestaan johtaa kevyempiin ja tehokkaampiin kannettaviin laitteisiin.
Mutta vaikka kaikki nämä materiaalien ja suunnittelun edistysaskeleet ohjaavat maailmanlaajuista kannettavien markkinoita, haasteita on edelleen kustannusten, skaalautuvuuden ja kestävyyden osalta. Vain jatkokehityksen, jatkuvan yhteistyön ja lisääntyneen investoinnin kautta kaikki nämä läpimurrot voidaan ottaa käyttöön käytännön sovelluksissa ja integroida päivittäiseen elämäämme!
