Pourrions‑nous bientôt alimenter nos appareils électroniques avec des récupérateurs d’énergie portables ?

Rendre les appareils électroniques flexibles

Avec les smartphones, nous sommes habitués à porter des appareils électroniques avec nous en permanence. Cela se fait toutefois toujours avec un bloc encombrant de métal et de plastique, qui, si l’on veut, devient chaque année plus grand et plus lourd.

L’étape suivante serait d’intégrer les appareils électroniques à nos vêtements de manière plus fluide. Cela a déjà commencé avec les électroniques portables comme les montres intelligentes et d’autres appareils portables axés sur la santé.

Un pas de plus serait d’intégrer directement l’électronique dans nos vêtements. Mais pour cela, il faudrait qu’elle soit très flexible et légère. Des progrès solides ont été réalisés dans cette direction:

• Les écrans pliables sont désormais couramment intégrés aux smartphones haut de gamme par Samsung et Huawei.
• Des batteries pliables et extensibles fabriquées à partir de polymères sont en cours de développement.
• Les microprocesseurs peuvent également être pliés.

Ainsi, si les écrans, les batteries et même les processeurs sont désormais flexibles et pliables, qu’est‑ce qui nous empêche encore d’avoir des appareils portables intégrés à nos vêtements ? Les alimenter reste un obstacle sérieux.

Mais cela pourrait changer, grâce à une découverte de chercheurs coréens du Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), de l’Université Hannam, de l’Université Yonsei, du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), du Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) et de l’Université nationale de Jeonbuk.

Ils ont développé un récupérateur d’énergie portable qui est 280 fois plus efficace que les dispositifs conventionnels, en utilisant un nouveau type de récupérateur d’énergie piézoélectrique.

Il a été publié dans ACS Nano, sous le titre « Conception d’électrode à couplage spécifique à la courbure pour un nanogénérateur piézoélectrique inorganique tridimensionnel extensible¹ ».

Dispositifs triboélectriques et piézoélectriques

Les récupérateurs d’énergie sont des systèmes qui produisent de l’énergie à partir de mouvements. Il existe principalement deux types, selon qu’ils fonctionnent sur l’effet triboélectrique ou l’effet piézoélectrique.

Les générateurs triboélectriques sont ce que l’on appelle généralement électrostatiques, ou ce qui se produit lorsque deux objets se touchent ou glissent l’un contre l’autre. Cela peut générer un peu d’électricité mais est souvent trop faible pour alimenter des appareils électroniques.

Le piézoélectrique est l’effet de génération d’électricité en réponse à une contrainte mécanique comme le pliage, le pressage, etc. Jusqu’à présent, la plupart des récupérateurs d’énergie piézoélectriques ont été fabriqués à partir de matériaux piézoélectriques organiques ou composites, qui ont une faible efficacité énergétique.

L’équipe du Pr Jang utilisait un autre type de matériau: le titanate de zirconium plomb (PZT).

Source: DGIST

Générateur piézoélectrique PZT

Le PZT est depuis longtemps reconnu pour ses excellentes performances piézoélectriques, mais il est également dur et fragile. Par conséquent, l’utiliser dans des dispositifs extensibles et compter sur le mouvement pour générer de l’énergie était peu susceptible de créer un générateur durable pour les appareils portables.

Ainsi, les chercheurs ont étudié comment concevoir une structure 3D à base de PZT qui serait insensible à la déformation et garantirait l’extensibilité tout en conservant la capacité piézoélectrique.

La première étape consistait à créer une électrode courbée avec une forme convexe qui produit de l’énergie lorsqu’elle est étirée.

Source: ACS Nano

Ils assemblent ensuite des rangées de ces électrodes les unes dans les autres, de manière similaire au maillage d’un tissu ou d’un panier en osier.

Source: ACS Nano

Éliminer les problèmes

Comme les électrodes sont entrelacées, elles pourraient facilement s’annuler mutuellement. Pour éviter cela, les électrodes ont été divisées en zones convexes et concaves selon la direction de la tension de sortie induite.

Le courant peut être généré par n’importe quel mouvement du corps, comme l’ont testé les chercheurs sur le genou, la main ou même les doigts.

Source: ACS Nano

Cela a créé un générateur piézoélectrique très efficace, affichant à la fois une extensibilité extrême et la densité de courant la plus élevée pour tout dispositif de ce type.

Source: ACS Nano

“Développer cette technologie de récupérateur d’énergie piézoélectrique extensible très efficace constitue une avancée majeure de cette recherche. Nous prévoyons que cette technologie deviendra utile après sa commercialisation et conduira à l’utilisation pratique de récupérateurs d’énergie portables.”

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

Applications

Appareils portables

L’application la plus directe serait d’alimenter les appareils électroniques intégrés aux vêtements lorsque nous bougeons, par exemple en marchant.

Cela pourrait être utile pour les appareils portables, en particulier les dispositifs de suivi de santé qui ne dépendraient alors plus d’une recharge régulière de la batterie.

Implants médicaux

Un type spécifique d’implant pourrait grandement bénéficier de ce type de générateur : les implants cardiaques.

Le cœur bouge et se contracte constamment, ce qui peut fournir une source d’énergie stable pour de tels implants médicaux.

Les chercheurs ont testé le concept en encapsulant le générateur dans un film de polyimide. Cela était nécessaire pour isoler efficacement le PZT des biofluides et des tissus, le PZT pouvant être toxique.

Source: ACS Nano

Militaire

Une autre application pourrait se situer dans le domaine militaire, où l’infanterie dépend de plus en plus de capteurs gourmands en énergie, de communications, de guerre électronique, etc.

Il est difficile d’attendre des unités de combat qu’elles naviguent dans un enchevêtrement de câbles et de batteries. En même temps, elles doivent déjà gérer leurs armes, munitions, solutions de télécommunication, etc. Un générateur piézoélectrique directement connecté aux électroniques flexibles de l’uniforme des soldats pourrait constituer une bonne alternative.

Investir dans les appareils portables

La technologie portable devrait croître de 14,6 % de TCAC jusqu’en 2030, à partir de 61,2 milliards de dollars en 2022.

Source: Grand View Research

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux appareils portables via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que le iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) ou le SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), qui offriront une exposition plus diversifiée pour profiter de la croissance du secteur des appareils portables et médicaux.

Vous pouvez également consulter notre article « Top 6 Medical Devices Stocks ».

Entreprise d’appareils portables

Construire des appareils portables

Une façon de fabriquer des électroniques flexibles consiste à utiliser des polymères. Une autre façon est d’utiliser un métal très flexible et non toxique, le gallium, dont nous avons parlé dans un rapport d’investissement dédié.

L’énergie solaire, en plus de l’effet piézoélectrique, pourrait également charger les appareils portables flexibles. Cela pourrait être réalisé soit en utilisant des cellules solaires pérovskites, soit une technologie photovoltaïque organique ultra‑fine.

Philips est une marque grand public d’électronique grand public bien connue (rasoirs, brosses à dents électriques), également active dans le domaine de la santé. Elle était classée n° 1 pour les dépôts de brevets MedTech en Europe en 2022.

Elle est active dans les produits médicaux connectés, des appareils portables à l’imagerie, les respirateurs ou les robots médicaux. L’entreprise est également active dans les semi‑conducteurs (y compris la technologie maglev) et la haute technologie/robotique/automatisation.

Source: Philips

Les appareils portables de Philips couvrent les mesures cardiaques, respiratoires et d’activité. Ses capteurs peuvent être intégrés aux montres intelligentes, aux moniteurs de santé, aux patchs médicaux et aux traqueurs d’activité.

En ce qui concerne les appareils portables, Philips privilégie une solution de partenariat, où elle développe pour des tiers leurs dispositifs médicaux IoT (Internet des objets) connectés, entièrement compatibles avec le reste des solutions Philips. Dans ce contexte, elle propose à ses clients le prototypage, le conseil réglementaire, le développement de produit de bout en bout et la production à l’échelle industrielle.

Cela fait de Philips une entreprise axée sur la technologie et un candidat probable pour intégrer rapidement des innovations telles que les générateurs piézoélectriques flexibles dans les dispositifs médicaux existants.

En 2023, les dispositifs de Philips ont directement touché 1,82 milliard de personnes.

L’entreprise souhaite créer un environnement de santé numérique entièrement intégré, où les capteurs correspondent aux dispositifs, puis utiliser plusieurs solutions de connectivité pour s’intégrer à la solution Philips HealthSuite Cloud et permettre une analyse approfondie des données.

Source: Philips

En tant que fournisseur de l’industrie MedTech, Philips n’est pas aussi visible dans le secteur que d’autres entreprises plus importantes. Cependant, elle est experte dans la conception de dispositifs électroniques haute performance et de capteurs, repoussant souvent les limites du possible dans son créneau en santé et appareils portables.

Avec les appareils portables de plus en plus intégrés aux soins de santé et aux protocoles médicaux, le segment Healthcare de Philips devrait probablement croître au sein du conglomérat.

Référence de l’étude :

^{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). Conception d’électrode à couplage spécifique à la courbure pour un nanogénérateur piézoélectrique inorganique tridimensionnel extensible. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}