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Percée dans le dispositif thermoélectrique prête à faire progresser les objets portables
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Une équipe de recherche de Queensland University of Technology (QUT) a développé un film flexible et extrêmement fin pour alimenter les appareils portables en utilisant uniquement la chaleur de notre corps, éliminant ainsi le besoin de batteries.
Cette nouvelle technologie pourrait également être utilisée pour refroidir les puces électroniques des smartphones et des ordinateurs, ce qui les aide à fonctionner plus efficacement ainsi qu’à améliorer leur stabilité.
Selon le professeur Zhi-Gang Chen, directeur fondateur du ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), cette percée répond à un défi clé dans la création d’un dispositif thermoélectrique qui convertit la chaleur corporelle en énergie. Le dispositif a le potentiel d’être une source d’énergie durable pour l’électronique portable.
En parlant des dispositifs thermoélectriques flexibles, le professeur Chen a expliqué que:
“Ils 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.”
Construire un dispositif portable thermoélectrique exceptionnel
Les dispositifs capables de convertir la chaleur corporelle en énergie, bien qu’étant un sujet d’un grand intérêt et d’exploration, font face actuellement à des défis tels que des coûts élevés, une fabrication complexe, une flexibilité limitée et des performances insuffisantes, empêchant leur production de masse et leur adoption.
Dans la dernière étude publiée dans la revue Science, l’équipe de QUT a présenté une méthode économique pour créer des films thermoélectriques flexibles. Pour cela, ils ont utilisé de minuscules cristaux ou « nanobinders » qui forment une couche homogène de feuilles de tellurure de bismuth, augmentant à la fois la flexibilité et l’efficacité.
Le tellurure de bismuth (Bi2Te3) est un matériau populaire utilisé par les chercheurs pour fabriquer de tels dispositifs. La poudre grise est un composé de bismuth et de tellure. Ce semi-conducteur chimiquement stable présente d’excellentes propriétés de conversion de la chaleur en électricité, ce qui le rend idéal pour les applications à faible puissance comme les moniteurs de mouvement, de fréquence cardiaque et de température.
Ainsi, l’équipe de QUT a créé un film imprimable au format A4 « avec des performances thermoélectriques record, une flexibilité exceptionnelle, une évolutivité et un faible coût, en faisant l’un des meilleurs thermoélectriques flexibles disponibles », a déclaré le professeur Chen.
Le film imprimable de l’équipe QUT comprend des nanoplates à base de Bi2Te3 en tant que grains fortement orientés et des nanorods de Te comme « nanobinders ».
La technique utilisée ici était la « synthèse solvothermale », qui forme des nanocristaux dans un solvant à haute température et pression. Cette technique a été combinée avec le « sintering », qui chauffe les films à proximité du point de fusion pour lier les particules entre elles, et l’« impression sérigraphique », qui permet la production de films à grande échelle.
La méthode utilisée par l’équipe pourrait également fonctionner avec d’autres systèmes inorganiques comme les thermoélectriques à base de séléniure d’argent (Ag2Se), qui sont potentiellement moins chers et plus durables que les matériaux conventionnels, montrant ainsi la large applicabilité de la technique.
“Cette flexibilité des matériaux montre les possibilités étendues que notre approche offre pour faire progresser la technologie thermoélectrique flexible.”
– Le premier auteur de l’étude, Wenyi Chen
Le dispositif, selon l’étude, a atteint une densité de puissance normalisée de >3 μW cm−2 K−2, ce que l’équipe affirme être « classée parmi les plus élevées des dispositifs imprimés en sérigraphie ».
Ainsi, les dernières recherches offrent une solution puissante pour les appareils portables tels que les montres intelligentes et la gestion thermique personnelle. En plus d’alimenter ces appareils, ces dispositifs thermoélectriques peuvent également être appliqués dans des espaces restreints, comme l’intérieur d’un téléphone mobile, pour aider à refroidir les puces et améliorer les performances.
Par exemple, lorsqu’il est appliqué à l’intérieur d’un dispositif, le film peut réduire la température de la puce jusqu’à 11,7 kelvins, contribuant ainsi à maintenir des performances optimales des appareils électroniques.
Si l’équipe améliore avec succès les performances de ce dispositif électrique flexible, elle pourra alimenter directement les smartphones du futur, déclaré Chen dans la vidéo officielle intitulée « La percée rapproche les appareils portables alimentés par la chaleur corporelle de la réalité », publiée sur la chaîne YouTube de l’université.
D’autres applications potentielles du dispositif incluent les systèmes de climatisation et de ventilation. L’équipe de recherche de QUT envisage également l’utilisation de dispositifs thermoélectriques dans les vêtements intelligents et les composants automobiles.
Ce n’est cependant que le début ; à l’étape suivante, l’équipe se concentrera sur l’optimisation des performances de la technologie et son industrialisation. Commercialiser la technologie nécessite, après tout, de surmonter les défis liés à la rentabilité à grande échelle, à la durabilité et à l’intégration avec les appareils existants.
Des recherches supplémentaires et un développement continu aideront ces dispositifs à révolutionner l’efficacité énergétique dans divers secteurs, des électroniques grand public aux applications médicales et automobiles.
Avancées dans la technologie des objets portables
Dans le monde technologiquement avancé d’aujourd’hui, les appareils portables sont apparus comme une innovation populaire et très bénéfique.
Les objets portables sont simplement des appareils électroniques mobiles conçus pour être portés sur le corps ou attachés aux vêtements. Parmi les types courants de technologie portable figurent les montres intelligentes, les lunettes intelligentes et les bijoux connectés tels que les bagues et les bracelets. Ces appareils suivent, analysent et transmettent des données personnelles.
L’une des applications les plus importantes des objets portables se trouve dans le domaine de la santé. Ils peuvent être utilisés pour surveiller la température corporelle, la tension artérielle, la fréquence cardiaque et d’autres signes vitaux. L’application de ces appareils s’étend également aux maladies physiologiques comme l’hypertension et les troubles musculaires ainsi qu’aux troubles neurocognitifs tels que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson. Les objets portables sont également utilisés comme système de délivrance de médicaments, aidant à personnaliser les soins de santé.
Différents types d’appareils portables sont actuellement utilisés dans le domaine de la santé. Cela inclut des dispositifs portables basés sur la peau tels que l’e-skin, les gilets portables, les bagues intelligentes, les écouteurs et les dispositifs biofluidiques qui utilisent la salive, les larmes et l’urine.
En plus de la santé, les objets portables sont utilisés pour communiquer avec d’autres, effectuer des paiements et suivre les niveaux d’activité, ainsi que dans les secteurs du style de vie, du jeu, du sport, du fitness, de la sécurité et de la défense.
Au fil des ans, la technologie portable a progressé de diverses manières. Tout d’abord, les chercheurs et les entreprises recherchent constamment de meilleurs matériaux pour construire ces appareils. Des matériaux flexibles, extensibles et des conceptions souples ultra-minces permettent à ces dispositifs d’être portés confortablement tout en conservant leurs fonctionnalités.
Par exemple, les métaux liquides à base de gallium, qui possèdent une haute conductivité et une biocompatibilité, ouvrent la voie aux bioélectroniques qui s’adaptent mieux au corps.
En ce qui concerne les conceptions, la technologie a considérablement évolué par rapport aux méthodes conventionnelles, avec un accent accru sur leur intégration transparente avec le corps humain. Les e-tatouages sont un excellent exemple ; ce sont des électroniques extrêmement fines et douces comme la peau qui s’adaptent à la peau et peuvent numériser de manière non invasive les informations physiologiques et psychologiques.
La miniaturisation de ces appareils, associée à l’électronique imprimée et aux tissus intelligents, a conduit à des capteurs capables de surveiller divers paramètres physiques tandis que des électrodes sont intégrées aux textiles pour mesurer l’activité. Par exemple, les capteurs de sueur portables surveillent en continu et de manière non invasive les indicateurs de santé via la sueur, favorisant la médecine de précision.
Source: MDPI
De nombreuses avancées sont également réalisées dans les capteurs chimiques intelligents portables, qui trouvent une application croissante dans la santé, la surveillance environnementale et l’évaluation de la sécurité.
Diverses approches innovantes ont été adoptées pour la conception et la fabrication de capteurs, avec un tel système conçu pour détecter le NO2 en incorporant un électrolyte polyacrylate de vinyle/borax/agarose/NaNO3 et des électrodes à nanotubes de carbone multi-parois sur des nanosheets d’or. Le système montre des performances améliorées et des capacités d’auto-réparation, le rendant parfait pour les applications portables.
Surmonter les limites de la technologie portable
Avec toutes ces innovations aidant les appareils portables à devenir meilleurs et plus efficaces, ils transforment différents secteurs, notamment la santé. Cependant, ils souffrent de limitations telles que la stabilité et la confidentialité.
Par exemple, les données reçues des capteurs de ces appareils portables peuvent subir des distorsions et du bruit en raison du mouvement constant du corps.
Les batteries utilisées dans les appareils portables représentent un autre défi majeur. Les limites des sources d’énergie ont incité les chercheurs à explorer diverses solutions, telles que les nanogénérateurs piézoélectriques (PENG), qui fonctionnent comme des capteurs auto-alimentés, et les nanogénérateurs triboélectriques (TENG), qui servent de mini-récupérateurs d’énergie.
Les générateurs thermoélectriques, en particulier, ont suscité beaucoup d’intérêt dans le domaine des technologies portables. En 2017, des chercheurs de l’Université de Zhejiang et de l’Université Xidian ont publié un article sur la conception d’un générateur thermoélectrique portable pour récupérer l’énergie du corps humain.
Tout comme les dernières recherches, celle-ci a également utilisé un matériau thermoélectrique à base de Bi2Te3 pour créer un dispositif capable de générer une tension de 48 mV pour une différence de température de 12 K. Lorsqu’il est monté sur la peau du poignet humain, la puissance de sortie du générateur thermoélectrique était de 130,6 nW à une température ambiante de 25 °C, démontrant son potentiel pour la récupération d’énergie thermique du corps humain et le développement d’appareils mobiles auto-alimentés.
Une autre étude a réalisé des avancées dans la conception de générateurs thermoélectriques (TEG) pour les applications de récupération de chaleur corporelle. Le problème est qu’il existe une différence de température de 10‑15 °C entre la température du corps et la température ambiante, mais seule une petite partie passe à travers un TEG portable en raison de la résistance thermique de la peau.
Pour surmonter les défis des TEG portables, un modèle analytique quasi‑3D complet a été développé, puis une technique de traitement par micro‑ondes a été utilisée pour synthétiser des nanocomposites thermoélectriques haute performance, ce qui a entraîné une forte réduction de la conductivité thermique et a permis aux TEG d’afficher une densité de puissance 4 à 7 fois supérieure à celle des TEG commerciaux sur le corps humain.
Rien que cette année, plusieurs études de recherche ont été publiées, se concentrant sur les dispositifs thermoélectriques pour les objets portables.
Il y a quelques mois, des chercheurs de l’Université de Washington ont également développé un prototype très flexible et souple capable de récolter l’énergie de la chaleur corporelle et de la convertir en électricité, pouvant ainsi alimenter de petits appareils électroniques. Pour leurs dispositifs thermoélectriques flexibles (TED), l’équipe de l’UW a utilisé des architectures souples 3D, des semi‑conducteurs rigides, des composites multifonctionnels et des conducteurs en métal liquide auto‑réparateurs.
En plus de la récupération d’énergie, l’objectif de toutes ces études a été le développement de matériaux thermoélectriques légers et flexibles, la conception de surfaces adaptables pour s’adapter à diverses parties du corps, l’amélioration de la fonctionnalité des objets portables et l’atteinte d’une rentabilité et d’une évolutivité.
Le marché des objets portables en forte croissance
L’avancement de la technologie portable et l’augmentation de ses fonctionnalités ont accru l’adoption de ces appareils. L’intérêt croissant pour les appareils portables projette que le marché dépassera 150 milliards de dollars avant la fin de cette décennie.
Le marché des objets portables tels que les montres intelligentes et les trackers de fitness, en particulier, augmente depuis un certain temps. Ils ont réellement explosé pendant la pandémie, alors que la santé personnelle est devenue la priorité de tous. Ces appareils ajoutent également un nombre croissant de métriques et, à mesure qu’ils se rapprochent de ceux des dispositifs médicaux, de plus en plus de consommateurs les adoptent.
Outre le fitness et la santé, les géants technologiques s’intéressent particulièrement aux objets portables de réalité virtuelle, augmentée et mixte (VR, AR & MR). Les vêtements intelligents et les e‑textiles suscitent également de l’intérêt, mais continuent de faire face à des défis en termes d’évolutivité de la fabrication et d’économie de produit.
Curieusement, le marché des services de paiement portable devrait croître à un rythme soutenu, avec un TCAC de 13,6 % pour atteindre 120 milliards de dollars. Cette croissance est stimulée par l’adoption de la communication en champ proche (NFC) dans les smartphones, les trackers de fitness et d’autres objets portables,
Les types de produits de technologie portable incluent également les patchs électroniques pour la peau, les sangles thoraciques, les lentilles de contact intelligentes et les caméras portables, qui suscitent également de l’intérêt.
Selon un rapport récent, les expéditions d’appareils portables à l’échelle mondiale devraient croître de plus de 6 % d’une année sur l’autre (YoY) cette année pour atteindre près de 538 millions d’unités. Cette croissance est stimulée par l’amélioration de l’économie et l’adoption croissante des objets portables dans les régions émergentes.
Cette croissance, cependant, sera inégale selon les secteurs, les objets portables, représentant plus de 60 % du marché des objets portables, devraient connaître un regain à mesure que les prix se stabilisent. Les montres intelligentes, quant à elles, devraient enregistrer une baisse de 3 %, la première chute YoY, bien qu’elles soient projetées pour rebondir à une croissance de 4,8 % l’année prochaine. Cela est dû à la hausse des prix et aux changements de conception minimes.
Appareils portables émergents
En ce qui concerne les appareils portables émergents, les secteurs du fitness et de la santé sont à l’avant-garde.
Dans le domaine de la santé, les dispositifs d’électrocardiogramme (ECG) portables, disponibles sous forme de montres intelligentes et de patchs, transforment les soins cardiaques à distance. Ces appareils s’associent à des applications qui stockent les données ECG, que les médecins peuvent examiner à distance et ainsi fournir une gestion proactive de la santé, conduisant à des modes de vie plus sains.
Les objets portables d’aujourd’hui permettent également la collecte continue de signes vitaux grâce à des capteurs avancés qui fournissent des données en temps réel sur leurs porteurs. Par exemple, la surveillance continue du glucose (CGM) offre des informations en temps réel sur les niveaux de sucre dans le sang, permettant aux patients de surveiller leur santé depuis le confort de leur domicile.
Un intérêt croissant parmi les entreprises se porte également sur les moniteurs de fréquence cardiaque. Les montres intelligentes comme la Casio G‑Shock Rangeman sont équipées d’un moniteur de fréquence cardiaque pour détecter avec précision les mouvements du corps ainsi que les changements de l’environnement naturel grâce au GPS et aux capteurs. Ensuite, il y a les moniteurs de fréquence cardiaque de Garmin‘s (GRMN ) qui offrent un design confortable permettant aux femmes de les clipser directement sur leurs brassières de sport.
Comme nous pouvons le constater, la facilité d’accès est certainement le point central pour les entreprises technologiques développant des objets portables. Cela est également vrai pour les bagues intelligentes Oura, qui peuvent être portées sur un doigt. Le bandeau est équipé d’un accéléromètre 3D pour déterminer le mouvement, d’un capteur NTC pour observer la température du corps et d’un capteur PPG pour suivre la fréquence cardiaque.
Ensuite, il y a la bague intelligente Evie, qui a adopté une approche « women‑first » en permettant le suivi du sommeil, de la santé cardiaque et des cycles menstruels. Les biosenseurs portables offrent parallèlement des perspectives prometteuses pour la gestion du stress en détectant les changements subtils de biomarqueurs comme le cortisol.
Les entreprises développent également des écouteurs qui guident les porteurs pendant les entraînements, tandis que des gants spéciaux comme le GyroGlove sont créés pour les patients atteints de Parkinson afin de réduire les tremblements et d’améliorer la qualité de vie.
Dans le domaine du divertissement, des objets portables comme le Xreal Air permettent aux utilisateurs de regarder du contenu et de jouer, tandis que les lunettes intelligentes de Meta‘s (META ) permettent la création et le partage de contenu. Ensuite, il existe des objets portables comme le Ai Pin, qui fonctionne avec un processeur Qualcomm (QCOM ) à huit cœurs de 2,1 GHz et peut prendre des photos, envoyer des messages texte et répondre aux appels.
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Entreprises dominant le secteur des objets portables
Aujourd’hui, en ce qui concerne les entreprises, Apple (AAPL ) domine le secteur grâce à son portefeuille robuste de produits intelligents comme l’Apple Watch. Les principales métriques de santé couvertes par la montre comprennent la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire, la température du poignet, l’oxygène sanguin et la durée du sommeil.
AAPL Graphique du prix
La plus grande entreprise du monde en termes de capitalisation boursière, évaluée à 3,75 billion de dollars, voit actuellement ses actions se négocier à 248 $, en hausse de 28,88 % cette année. Apple affiche un BPA (TTM) de 6,07 et un PER (TTM) de 40,88 tout en offrant un rendement du dividende de 0,40 %. Pour le trimestre se terminant le 28 septembre 2024, au cours duquel la société a lancé sa gamme iPhone 16, les AirPods 4 et l’Apple Watch Series 10 avec des fonctionnalités pour la santé auditive et la détection de l’apnée du sommeil, le géant technologique a publié un chiffre d’affaires de 94,9 milliards de dollars.
Pendant ce temps, Google capture le marché des objets portables via Fitbit, qu’elle a acquis en 2021. La société chinoise Huawei a également lancé son système TruSense cette année pour alimenter les prochains objets portables. D’autres noms notables dans le secteur incluent Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), et Garmin.
Conclusion
La technologie portable est un marché en forte croissance qui suscite beaucoup d’intérêt et de développement. De plus, les percées dans la technologie thermoélectrique, comme celles réalisées par l’équipe de QUT, ouvrent la voie à un avenir plus avancé où ces appareils ne dépendent plus des batteries, conduisant ainsi à des objets portables plus légers et plus efficaces.
Cependant, bien que toutes ces avancées en matière de matériaux et de conception stimulent le marché mondial des objets portables, des défis subsistent concernant le coût, l’évolutivité et la durabilité. Ce n’est qu’à travers une innovation supplémentaire, une collaboration continue et un investissement accru que toutes ces percées pourront être mises en pratique et intégrées dans notre quotidien !
