Les récolteurs d’énergie haptique vous permettent de devenir votre propre banque de batteries

Vous avez sûrement entendu les termes énergie haptique ou retour haptique. Ce terme a été largement utilisé à l’ère des technologies portables. En 2024, un volume gigantesque de 534 millions d’unités portables ont été expédiées dans le monde.

Ces unités comprenaient une grande variété d’appareils électroniques tels que les montres intelligentes, les traqueurs de fitness, les écouteurs, les dispositifs de réalité étendue, c’est‑à‑dire casques VR et lunettes de réalité augmentée. Avec l’émergence de l’électronique portable, un paradigme d’énergie haptique est apparu.

Au cours des quatre dernières décennies, le principal mode de communication en électronique a été le retour audible ou visuel, le langage principal étant le son et la lumière. Mais aujourd’hui, le retour haptique est devenu une autre façon pour les électroniques de communiquer avec les êtres humains, en utilisant leur sens du toucher.

Smartphones, montres intelligentes, traqueurs de fitness – tous ces systèmes portables alimentés par batterie peuvent utiliser le haptique. En tant qu’application, il occupe une place bien établie dans les domaines grand public, industriel et automobile, tels que les smartphones, les tablettes, les souris, les distributeurs automatiques de billets et les systèmes d’infodivertissement automobile.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs a appliqué avec succès l’énergie haptique aux appareils portables¹. En parlant du but de leurs recherches et de l’importance de ce qu’elles pourraient accomplir, Saad Khan, co‑correspondant et professeur INVISTA de génie chimique et biomoléculaire à NC State, a déclaré :

« Nous avons alors lancé une série d’expériences pour explorer si nous pouvions utiliser des amphiphiles afin de modifier les matériaux et les incorporer dans des récolteurs d’énergie haptique. »

Pour en savoir plus sur la recherche et ses réalisations, nous approfondirons le sujet dans le segment suivant.

Compression d’amphiphiles assemblés sur des surfaces glissantes pour des récolteurs d’énergie haptique réglables

Source: NC State University

Les chercheurs ont réalisé qu’un défi récurrent dans l’extraction d’énergie à partir du mouvement ambiant était que les dispositifs devaient maintenir une haute efficacité de récolte et offrir une expérience utilisateur positive lorsque leur interface subissait une compression dynamique. Les chercheurs ont montré que de petits amphiphiles pouvaient être utilisés pour ajuster le frottement, le haptique et les propriétés triboélectriques en les assemblant en conformations spécifiques à la surface des matériaux. Les amphiphiles sont des molécules souvent utilisées dans les produits de consommation pour réduire le frottement contre la peau humaine. Par exemple, ces molécules sont fréquemment incorporées dans les couches‑culottes afin d’éviter les irritations.

En parlant de la quête et des motivations qui l’ont animée, Lilian Hsiao, correspondante de l’article et professeure associée de génie chimique et biomoléculaire à la North Carolina State University, a déclaré :

« Nous avons entrepris de développer un modèle qui nous donnerait une compréhension fondamentale détaillée de la façon dont différents amphiphiles affectent le frottement de surface de divers matériaux. »

Les chercheurs ont observé que les molécules formant plusieurs plans de glissement sous pression, notamment grâce à l’empilement π‑π, produisent un frottement inférieur de 80 à 90 % à celui des molécules formant des mésostructures désordonnées. En conséquence, ils ont proposé un cadre d’échelle pour leurs propriétés de réduction du frottement qui tient compte de l’adhérence et de la mécanique du contact.

En atteignant leur objectif, les chercheurs ont constaté que les surfaces revêtues d’amphiphiles résistaient à l’usure et généraient une perception tactile distincte, les humains préférant les matériaux plus glissants. À un autre niveau, ils pouvaient également améliorer la sortie triboélectrique grâce à l’utilisation d’amphiphiles à forte affinité électronique.

Dans l’ensemble, les molécules capables de s’auto‑organiser en plans glissants sous pression représentent une voie simple pour faire progresser le développement de récolteurs d’énergie haptique à grande échelle. Pour l’expliquer de façon plus concrète, les chercheurs ont découvert qu’il était possible d’utiliser des amphiphiles afin de créer des tissus portables avec des surfaces glissantes agréables au contact de la peau humaine.

De plus, les chercheurs ont constaté que certains amphiphiles, grâce à leurs propriétés électroniques inhérentes, pouvaient agir comme donneurs d’électrons. Ces amphiphiles donneurs d’électrons, lorsqu’ils sont incorporés dans des matériaux portables, donnent lieu à un matériau confortable capable de générer de l’électricité par frottement produit en frottant contre la peau humaine ou d’autres surfaces.

En résumé, comme l’a souligné Hsiao, lors de leurs tests de preuve de concept, les chercheurs ont découvert que ces matériaux amphiphiles étaient non seulement agréables sur la peau mais pouvaient générer jusqu’à 300 volts, ce qui était remarquable pour un petit morceau de matériau.

Selon Saad Khan :

« Nous souhaitons faire davantage usage de ces matériaux, par exemple en explorant comment ils peuvent être incorporés dans les dispositifs haptiques existants. Et nous sommes ouverts à collaborer avec des partenaires industriels afin d’identifier de nouvelles applications. »

Bien que la recherche et son adoption industrielle doivent aller de pair, plusieurs entreprises sont déjà profondément engagées dans la recherche de produits capables de récolter l’énergie du corps pour alimenter des dispositifs technologiques portables. Dans les segments suivants, nous évoquons quelques-unes de ces entreprises pionnières qui pourraient bénéficier de recherches comme celle que nous avons présentée.

1. Medtronic PLC (MDT )

L’une des entreprises qui a travaillé intensivement avec la technologie portable est Medtronic. Ce grand géant public de la med‑tech est peut‑être l’un des mieux placés pour exploiter les récolteurs d’énergie haptique.

L’une des offres les plus importantes de Medtronic est le BioButton, un dispositif portable de qualité médicale à paramètres multiples conçu pour une surveillance intelligente des patients. Il fournit des données de tendance sur les signes vitaux clés et les biométriques, servant d’indicateur précoce de la détérioration du patient.

Conçu pour une surveillance continue des indicateurs précoces de détérioration du patient, le moniteur peut mesurer la fréquence respiratoire au repos, la fréquence cardiaque au repos, la température cutanée et une série de biométriques. Le dispositif portable a permis aux chercheurs d’explorer les données de tendance afin d’aider les cliniciens à identifier les patients pouvant nécessiter une intervention clinique et ceux prêts à être libérés.

En 2022, Medtronic a conclu un partenariat stratégique avec BioIntelliSense, une société de surveillance continue de la santé et d’intelligence clinique, pour les droits exclusifs de distribution aux États‑Unis dans les hôpitaux et pour les 30 jours post‑hospitalisation à domicile du BioButton.

Lors de l’annonce du partenariat, Frank Chan, Ph.D., président de la division Patient Monitoring, qui faisait partie du portefeuille Medical Surgical chez Medtronic, a déclaré :

« Notre vision est de donner aux cliniciens et aux patients des informations exploitables pour personnaliser les soins — à tout moment, n’importe où. Grâce à notre collaboration avec BioIntelliSense, nous soutiendrons des soins continus et connectés, de l’hôpital à la maison, et étendrons notre portée pour aider davantage de patients, dans davantage d’endroits, que jamais auparavant. »

En tant que l’une des entreprises med‑tech les plus importantes au monde, Medtronic est peut‑être la mieux placée pour bénéficier de recherches comme celle que nous avons discutée. En mai 2024, Medtronic a annoncé les résultats financiers de son quatrième trimestre et de son exercice fiscal 2024. L’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires du T4 de 8,6 milliards de dollars, soit une hausse de 0,5 % selon les rapports et 5,4 % en organique. Le chiffre d’affaires de l’exercice 2024 était de 32,4 milliards de dollars, soit une hausse de 3,6 % selon les rapports et 5,2 % en organique.

2. Philips

Comme Medtronic, un autre géant technologique qui a investi d’importants efforts de R&D dans le développement de technologies portables de pointe est Philips. Les solutions de surveillance portées par les patients de Philips offrent aux patients la liberté de se déplacer dans l’unité de soins ou à l’hôpital.

Conçus pour le confort, les dispositifs portés par les patients de Philips utilisent la technologie sans fil pour transmettre les données et les alarmes là où elles sont nécessaires, comme une zone centrale d’infirmières, une zone d’observation à distance ou le dispositif mobile d’un soignant. Les appareils offrent une gamme de capacités de mesure pour répondre aux besoins cliniques des populations de patients en soins généraux et intermédiaires.

Le nom du produit est Intellivue MX40. Les utilisateurs peuvent faire fonctionner l’IntelliVue MX40 avec des piles AA jetables ou une batterie rechargeable Philips. L’appareil permet d’obtenir des informations ECG 12 dérivations dérivées tout en surveillant en continu le ST et le QT, le SpO2 FAST et l’impédance respiratoire. Avec jusqu’à 5 formats d’écran, les informations nécessaires sont facilement accessibles d’une simple pression.

L’appareil dispose d’une connexion sans fil à courte portée avec les moniteurs IntelliVue pour capturer les signes vitaux ou pour une visualisation plus complète. Il possède un connecteur de câble unique conçu pour réduire la collecte de saleté et de liquides ainsi qu’un boîtier résistant aux désinfectants de haut niveau, y compris la stérilisation périodique.

Selon les dernières informations disponibles, en 2023, Philips a enregistré 18,2 milliards d’euros de ventes avec une croissance comparable de 6 % et une marge EBITA ajustée de 10,6 %.

Alors que les grandes entreprises technologiques comme Medtronic et Philips développent des produits qui peuvent bénéficier considérablement des récolteurs d’énergie haptique, plusieurs autres organisations de recherche travaillent sur des lignes similaires.

Dans les prochains segments, nous discuterons de quelques études de recherche qui ont le potentiel de révolutionner les applications dans ce domaine.

Prototype électronique qui récolte l’énergie de la chaleur corporelle et la transforme en électricité

En septembre 2024, des rapports sont venus de chercheurs de l’Université de Washington développant un prototype électronique flexible et durable capable de récolter l’énergie de la chaleur corporelle et de la transformer en électricité pour alimenter de petits appareils électroniques, tels que des batteries, des capteurs ou des LED. La résilience du dispositif le rend utilisable même après avoir été percé plusieurs fois et étiré jusqu’à 2000 fois.

Selon l’auteur principal Mohammad Malakooti, professeur adjoint de génie mécanique à l’UW :

« Lorsque vous placez ce dispositif sur votre peau, il utilise la chaleur de votre corps pour alimenter directement une LED. Dès que vous le placez, la LED s’allume. Cela n’était pas possible auparavant. »

Pour détailler son fonctionnement, le dispositif possède trois couches principales. La couche centrale contient des semi-conducteurs thermoélectriques rigides qui convertissent la chaleur en électricité. Ces semi-conducteurs sont entourés de composites imprimés en 3D à faible conductivité thermique, ce qui améliore la conversion d’énergie et réduit le poids du dispositif.

De plus, pour offrir extensibilité, conductivité et auto‑guérison électrique, les semi-conducteurs sont reliés par des traces de métal liquide imprimées. En outre, des gouttelettes de métal liquide intégrées dans les couches extérieures améliorent le transfert de chaleur vers les semi-conducteurs et maintiennent la flexibilité, le métal restant liquide à température ambiante.

En évoquant les avantages de la technologie et son objectif plus large, Mohammad Malakooti a déclaré :

« Cela pourrait être particulièrement utile dans les centres de données, où les serveurs et les équipements informatiques consomment beaucoup d’électricité et génèrent de la chaleur, nécessitant encore plus d’électricité pour les refroidir. Nos dispositifs peuvent capter cette chaleur et la réutiliser pour alimenter des capteurs de température et d’humidité. »

Il a ajouté :

« Cette approche est plus durable car elle crée un système autonome qui surveille les conditions tout en réduisant la consommation globale d’énergie. De plus, il n’est pas nécessaire de se soucier de la maintenance, du remplacement des batteries ou de l’ajout de nouveaux câbles. »

À l’avenir, les chercheurs sont optimistes quant à l’application de cette technologie dans les systèmes de réalité virtuelle et d’autres accessoires portables afin de créer des sensations de chaud et de froid sur la peau ou d’améliorer le confort global.

Trois ans auparavant, en octobre 2021, des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder avaient réalisé une percée similaire. Nous examinerons cette recherche dans le segment suivant.

Cliquez ici pour en savoir plus sur le tissu intelligent qui convertit la chaleur corporelle en énergie.

Dispositif portable qui a transformé le corps en batterie

Des chercheurs du Colorado à Boulder ont mis au point un nouveau dispositif portable à faible coût capable de transformer le corps humain en batterie biologique.

L’une des caractéristiques les plus séduisantes du dispositif était sa capacité d’étirement suffisante pour être porté sous forme d’anneau, de bracelet ou de tout autre accessoire touchant la peau du porteur. Il exploitait la chaleur naturelle d’une personne en utilisant des générateurs thermoélectriques pour convertir la température interne du corps en électricité.

Le dispositif pouvait générer environ 1 volt d’énergie par centimètre carré de peau — une tension inférieure à celle fournie par la plupart des batteries existantes, mais suffisante pour alimenter des électroniques telles que des montres ou des traqueurs de fitness.

Les chercheurs ont utilisé une base faite d’un matériau extensible appelé polyimine et ont ensuite fixé une série de fines puces thermoélectriques dans cette base, les reliant toutes avec des fils en métal liquide. Le produit final ressemblait à un croisement entre un bracelet en plastique et une mini‑carte mère d’ordinateur, ou peut‑être une bague technologique.

La solution était suffisamment flexible pour que sa puissance puisse être augmentée en ajoutant davantage de blocs de générateurs. Un des chercheurs a comparé la solution à la façon dont nous manipulons les Legos :

« C’est comme assembler plein de petites pièces Lego pour créer une grande structure. Cela offre de nombreuses options de personnalisation. »

Film ultra‑mince et flexible alimentant les wearables de prochaine génération

Une recherche plus récente, dirigée par une équipe de l’Université technologique du Queensland, a développé un film ultra‑mince et flexible capable d’alimenter les dispositifs portables de prochaine génération en utilisant la chaleur du corps, éliminant ainsi le besoin de batteries.

De plus, la technologie pouvait refroidir les puces électroniques, aidant les smartphones et les ordinateurs à fonctionner plus efficacement.

Selon le Professeur Zhi‑Gang Chen, la nouvelle recherche de son équipe a été publiée dans la prestigieuse revue Science :

« Les dispositifs thermoélectriques flexibles peuvent être portés confortablement sur la peau où ils transforment efficacement la différence de température entre le corps humain et l’air ambiant en électricité. »

En évoquant les applications potentielles de cette technologie, le Professeur Chen a souligné qu’elle pourrait être intégrée dans un espace restreint, comme à l’intérieur d’un ordinateur ou d’un téléphone mobile, afin d’aider à refroidir les puces et à améliorer les performances.

D’autres applications incluent la gestion thermique personnelle, où la chaleur du corps pourrait alimenter un système portable de chauffage, de ventilation et de climatisation. Les chercheurs ont également cité des défis similaires à ceux rencontrés par des innovations analogues : flexibilité limitée, fabrication complexe, coûts élevés et performances insuffisantes.

Cependant, la recherche que nous présentons offre des solutions en matière de gestion des coûts. Alors que la plupart des travaux dans ce domaine se concentraient sur les thermoélectriques à base de tellurure de bismuth, réputés pour leurs propriétés élevées de conversion chaleur‑électricité, l’équipe a introduit une technologie économique pour fabriquer des films thermoélectriques flexibles en utilisant de minuscules cristaux, ou « nano‑liants », qui forment une couche homogène de feuilles de tellurure de bismuth, augmentant à la fois l’efficacité et la flexibilité.

Plus précisément, l’équipe a déployé la « synthèse solvothermale », une technique qui forme des nanocristaux dans un solvant sous haute température et pression, combinée à l’« impression sérigraphique » et au « sintering ». 

Les chercheurs ont créé un film imprimable au format A4 avec des performances thermoélectriques record, une flexibilité exceptionnelle, une évolutivité et un faible coût. La méthode d’impression sérigraphique a permis une production à grande échelle du film, tandis que le frittage a chauffé les films à proximité du point de fusion, liant les particules entre elles.

La solution pourrait également fonctionner avec d’autres systèmes, tels que les thermoélectriques à base de sélénium d’argent, qui étaient potentiellement moins chers et plus durables que les matériaux traditionnels.

Mots de conclusion

Une gestion efficace de l’énergie est devenue le critère le plus crucial pouvant faire le succès ou l’échec d’une solution technologique. Les techniques de récolte d’énergie qui utilisent la chaleur corporelle pour alimenter les technologies portables représentent l’approche la plus prometteuse dans cette direction, assurant l’efficacité sans nécessiter d’énergie ou de puissance externes. Les solutions issues de ces efforts sont durables. Avec une adoption croissante, il ne reste plus qu’à attendre que ces solutions soient prêtes pour une production commerciale à grande échelle, réduisant les coûts et améliorant la disponibilité.

Référence de l’étude :

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compression d’amphiphiles assemblés sur des surfaces glissantes pour des récolteurs d’énergie haptique réglables. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}