Pengumpul Energi Haptik Membuat Anda Menjadi Bank Baterai Sendiri

Anda pasti pernah mendengar istilah Energi Haptik atau Umpan Balik Haptik. Istilah ini sering digunakan di era teknologi wearable saat ini. Pada tahun 2024, volume besar sebanyak 534 juta unit wearable secara global.

Unit-unit ini mencakup berbagai macam perangkat elektronik seperti smartwatch, pelacak kebugaran, headphone, perangkat realitas diperluas, yaitu headset VR, dan kacamata realitas augmentasi. Dengan munculnya elektronik wearable, paradigma energi haptik muncul.

Selama empat dekade terakhir, metode komunikasi utama dalam elektronik adalah umpan balik audibel atau visual, dengan bahasa utama komunikasi berupa suara dan cahaya. Namun saat ini, umpan balik haptik telah menjadi cara lain bagi elektronik untuk berkomunikasi dengan manusia, menggunakan indera sentuhan mereka.

Smartphone, jam tangan pintar, pelacak kebugaran – semua sistem portabel berbaterai ini dapat menggunakan haptik. Sebagai aplikasi, haptik telah mapan di bidang konsumen, industri, dan otomotif, seperti smartphone, tablet, mouse, mesin ATM, dan sistem infotainment otomotif.

Sekarang, tim peneliti telah berhasil menerapkan energi haptik pada wearable¹. Saat membicarakan tujuan penelitian mereka dan pentingnya apa yang dapat dicapai, Saad Khan, penulis ko‑koresponden dan Profesor INVISTA bidang Teknik Kimia dan Biomolekuler di NC State, mengatakan:

“Kami kemudian memulai serangkaian eksperimen untuk mengeksplorasi apakah kami dapat menggunakan amfifil untuk memodifikasi material dan mengintegrasikannya ke dalam pengumpul energi haptik.”

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang penelitian dan pencapaiannya, kami akan menyelami lebih dalam pada segmen berikutnya.

Mengompresi Amfifil yang Dirakit pada Permukaan Licin untuk Pengumpul Energi Haptik yang Dapat Disetel

Sumber: NC State University

Para peneliti menyadari bahwa tantangan berulang dalam mengekstrak energi dari gerakan lingkungan adalah perangkat harus mempertahankan efisiensi pengumpulan yang tinggi dan pengalaman pengguna yang positif ketika antarmukanya mengalami kompresi dinamis. Para peneliti menunjukkan bahwa amfifil kecil dapat digunakan untuk menyesuaikan gesekan, haptik, dan sifat triboelektrik dengan merakitnya menjadi konformasi spesifik pada permukaan material. Amfifil adalah molekul yang sering digunakan dalam produk konsumen untuk mengurangi gesekan terhadap kulit manusia. Misalnya, molekul ini sering dimasukkan ke dalam popok untuk mencegah iritasi.

Saat membicarakan pencarian dan motivasi yang mendorongnya, Lilian Hsiao, penulis koresponden makalah tentang pekerjaan tersebut dan associate professor teknik kimia serta biomolekuler di North Carolina State University, mengatakan:

“Kami berusaha mengembangkan model yang memberi kami pemahaman fundamental terperinci tentang bagaimana amfifil yang berbeda memengaruhi gesekan permukaan material yang berbeda.”

Para peneliti melihat bahwa molekul yang membentuk banyak bidang selip di bawah tekanan, terutama melalui tumpukan π-π, menghasilkan gesekan 80 hingga 90% lebih rendah dibandingkan yang membentuk mesostruktur tidak teratur. Akibatnya, para peneliti mengusulkan kerangka skala untuk sifat pengurangan gesekan mereka yang memperhitungkan adhesi dan mekanika kontak.

Dalam mencapai tujuan mereka, para peneliti menyadari bahwa permukaan berlapis amfifil cenderung tahan aus dan menghasilkan persepsi taktil yang berbeda, dengan manusia lebih menyukai material yang lebih licin. Pada tingkat lain, para peneliti juga dapat meningkatkan output triboelektrik dengan menggunakan amfifil yang memiliki afinitas elektron tinggi.

Secara keseluruhan, molekul yang dapat mengatur diri menjadi bidang licin di bawah tekanan merupakan cara mudah untuk memajukan pengembangan pengumpul daya haptik secara skala besar. Untuk menjelaskan secara lebih praktis, peneliti menemukan bahwa memungkinkan menggunakan amfifil untuk menciptakan kain wearable dengan permukaan licin yang terasa nyaman di kulit manusia.

Selain itu, peneliti menemukan bahwa beberapa amfifil, karena sifat elektronik inherennya, dapat berfungsi sebagai donor elektron. Amfifil yang mendonorkan elektron ini, ketika dimasukkan ke dalam material wearable, menghasilkan material nyaman yang mampu menghasilkan listrik melalui gesekan yang dihasilkan saat digosokkan pada kulit manusia atau permukaan lain.

Secara singkat, seperti yang disorot Hsiao, dalam pengujian bukti konsep mereka, peneliti menemukan bahwa material amfifil ini tidak hanya terasa nyaman di kulit tetapi dapat menghasilkan hingga 300 volt, yang luar biasa untuk sepotong material kecil.

Menurut Saad Khan:

“Kami tertarik untuk melakukan lebih banyak hal dengan memanfaatkan material ini, seperti mengeksplorasi bagaimana mereka dapat diintegrasikan ke dalam perangkat haptik yang ada. Dan kami terbuka untuk bekerja dengan mitra industri guna mengidentifikasi aplikasi baru.”

Meskipun penelitian dan adopsi industri harus berjalan beriringan, ada beberapa perusahaan yang sudah mendalami penelitian produk yang dapat memanen energi dari tubuh untuk menjalankan perangkat teknologi wearable. Pada segmen berikut, kami membahas beberapa perusahaan pionir yang dapat memperoleh manfaat dari penelitian seperti yang kami bahas.

1. Medtronic PLC (MDT )

Salah satu perusahaan yang telah bekerja secara ekstensif dengan teknologi wearable adalah Medtronic. Raksasa med‑tech publik yang besar ini mungkin merupakan yang paling siap untuk memanfaatkan pengumpul energi haptik.

Salah satu penawaran paling signifikan Medtronic adalah BioButton, perangkat wearable medis multi‑parameter yang dirancang untuk pemantauan pasien cerdas. Perangkat ini menyediakan data tren pada tanda vital dan biometrik utama, berfungsi sebagai indikator awal penurunan kondisi pasien.

Dirancang untuk pemantauan kontinu indikator utama penurunan pasien, monitor dapat mengukur laju pernapasan istirahat, detak jantung istirahat, suhu kulit, dan serangkaian biometrik. Wearable ini memungkinkan peneliti mengeksplorasi data tren untuk membantu klinisi mengidentifikasi pasien yang mungkin memerlukan intervensi klinis dan mereka yang mungkin siap dipulangkan.

Pada tahun 2022, Medtronic menjalin kemitraan strategis dengan BioIntelliSense, perusahaan pemantauan kesehatan kontinu dan intelijen klinis, untuk hak distribusi eksklusif di rumah sakit AS dan distribusi 30‑hari pasca‑akut dari rumah sakit ke rumah untuk BioButton.

Saat pengumuman kemitraan, Frank Chan, Ph.D., presiden bisnis Patient Monitoring, yang merupakan bagian dari Portofolio Medis Bedah di Medtronic, mengatakan:

“Visi kami adalah memberdayakan klinisi dan pasien dengan wawasan yang dapat ditindaklanjuti untuk mempersonalisasi perawatan — kapan saja, di mana saja. Melalui kolaborasi kami dengan BioIntelliSense, kami akan mendukung perawatan berkelanjutan dan terhubung dari rumah sakit ke rumah dan memperluas jangkauan kami untuk membantu lebih banyak pasien di lebih banyak tempat daripada sebelumnya.”

Sebagai salah satu perusahaan med‑tech paling signifikan di dunia, Medtronic mungkin merupakan yang paling siap untuk mendapatkan manfaat dari penelitian seperti yang kami bahas. Pada Mei 2024, Medtronic mengumumkan hasil keuangan untuk kuartal keempat dan tahun fiskal 2024. Perusahaan melaporkan pendapatan Q4 sebesar $8,6 miliar, meningkat 0,5% sebagaimana dilaporkan dan 5,4% secara organik. Perusahaan melaporkan pendapatan FY 24 sebesar $32,4 miliar, meningkat 3,6% sebagaimana dilaporkan dan 5,2% secara organik.

2. Philips

Seperti Medtronic, raksasa teknologi lain yang telah menginvestasikan banyak upaya R&D untuk mengembangkan teknologi wearable mutakhir adalah Philips. Solusi pemantauan yang dipakai pasien dari Philips memberi kebebasan bagi pasien untuk bergerak di unit perawatan atau rumah sakit.

Dirancang untuk kenyamanan, perangkat yang dipakai pasien Philips menggunakan teknologi nirkabel untuk mentransmisikan data dan alarm ke tempat yang dibutuhkan, seperti area perawat sentral, area observasi jarak jauh, atau perangkat seluler pengasuh. Perangkat ini memiliki berbagai kemampuan pengukuran untuk memenuhi kebutuhan klinis populasi pasien perawatan umum dan menengah.

Nama produk tersebut adalah Intellivue MX40. Pengguna dapat mengoperasikan IntelliVue MX40 dengan baterai AA sekali pakai atau satu baterai isi ulang Philips. Perangkat ini mendukung kemampuan memperoleh informasi ECG 12‑lead yang diturunkan sambil terus memantau ST dan QT, FAST SpO2, dan impedansi pernapasan. Dengan hingga 5 format layar, informasi yang dibutuhkan tersedia dengan satu sentuhan.

Perangkat ini memiliki koneksi nirkabel jarak pendek ke monitor IntelliVue untuk menangkap tanda vital atau untuk tampilan yang lebih komprehensif. Perangkat ini memiliki konektor kabel unik yang dirancang untuk mengurangi penumpukan tanah dan cairan serta desain casing yang tahan terhadap disinfektan tingkat tinggi, termasuk sterilisasi berkala.

Menurut informasi terbaru yang tersedia, pada tahun 2023, Philips mencatat penjualan senilai 18,2 miliar Euro dengan pertumbuhan penjualan sebanding 6% dan margin EBITA yang disesuaikan sebesar 10,6% 

Sementara perusahaan teknologi besar seperti Medtronic dan Philips mengembangkan produk yang dapat sangat diuntungkan dari Pengumpul Energi Haptik, beberapa organisasi riset lain juga telah bekerja di jalur yang sama.

Dalam segmen berikut, kami membahas beberapa studi riset yang berpotensi merevolusi aplikasi di bidang ini.

Prototipe Elektronik yang Memanen Energi dari Panas Tubuh dan Mengubahnya Menjadi Listrik

Pada September 2024, laporan muncul dari peneliti University of Washington yang mengembangkan prototipe elektronik fleksibel dan tahan lama yang mampu memanen energi dari panas tubuh dan mengubahnya menjadi listrik untuk memberi daya pada elektronik kecil, seperti baterai, sensor, atau LED. Ketahanan perangkat membuatnya tetap dapat digunakan bahkan setelah ditusuk beberapa kali dan diregangkan hingga 2000 kali.

Menurut penulis senior Mohammad Malakooti, asisten profesor teknik mesin UW:

“Ketika Anda menempatkan perangkat ini di kulit, ia menggunakan panas tubuh Anda untuk langsung memberi daya pada LED. Begitu perangkat dipasang, LED menyala. Hal ini tidak mungkin sebelumnya.”

Untuk menjelaskan secara fungsional, perangkat memiliki tiga lapisan utama. Lapisan tengah memiliki semikonduktor termoelektrik kaku yang mengubah panas menjadi listrik. Semikonduktor ini dikelilingi oleh komposit cetak 3D dengan konduktivitas termal rendah, yang meningkatkan konversi energi dan mengurangi berat perangkat.

Selanjutnya, untuk memberikan kelenturan, konduktivitas, dan penyembuhan diri listrik, semikonduktor dihubungkan dengan jejak logam cair yang dicetak. Selain itu, tetesan logam cair yang tertanam di lapisan luar meningkatkan transfer panas ke semikonduktor dan mempertahankan fleksibilitas karena logam tetap cair pada suhu ruang.

Saat membicarakan manfaat teknologi ini dan tujuan besarnya, Mohammad Malakooti mengatakan:

“Ini dapat sangat membantu di pusat data, di mana server dan peralatan komputasi mengonsumsi listrik yang besar dan menghasilkan panas, yang memerlukan lebih banyak listrik untuk mendinginkannya. Perangkat kami dapat menangkap panas itu dan mengubahnya menjadi daya untuk sensor suhu dan kelembaban.”

Dia menambahkan:

“Pendekatan ini lebih berkelanjutan karena menciptakan sistem mandiri yang memantau kondisi sambil mengurangi konsumsi energi secara keseluruhan. Selain itu, tidak perlu khawatir tentang perawatan, mengganti baterai, atau menambah kabel baru.”

Di masa depan, peneliti optimis teknologi ini akan menemukan aplikasi dalam sistem realitas virtual dan aksesori wearable lainnya untuk menciptakan sensasi panas dan dingin pada kulit atau meningkatkan kenyamanan secara keseluruhan.

Tiga tahun sebelumnya, pada Oktober 2021, peneliti di CU Boulder mencapai terobosan serupa. Kami akan meninjau penelitian itu pada segmen berikut.

Klik di sini untuk mempelajari tentang kain pintar yang mengubah panas tubuh menjadi energi.

Perangkat Wearable yang Mengubah Tubuh Menjadi Baterai

Peneliti di CU Boulder menciptakan perangkat wearable baru berbiaya rendah yang dapat mengubah tubuh manusia menjadi baterai biologis.

Salah satu fitur paling menarik dari perangkat ini adalah kemampuannya yang cukup elastis untuk dipakai sebagai cincin, gelang, atau aksesori lain yang menyentuh kulit pemakai. Perangkat ini memanfaatkan panas alami seseorang—menggunakan generator termoelektrik untuk mengubah suhu internal tubuh menjadi listrik.

Perangkat ini dapat menghasilkan sekitar 1 volt energi untuk setiap sentimeter persegi area kulit—tegangan per area lebih rendah dibandingkan kebanyakan baterai yang ada namun masih cukup untuk memberi daya pada elektronik seperti jam atau pelacak kebugaran.

Para peneliti memanfaatkan dasar yang terbuat dari material elastis bernama polyimine dan kemudian menempelkan serangkaian chip termoelektrik tipis ke dalam dasar tersebut, menghubungkan semuanya dengan kawat logam cair. Produk akhir tampak seperti perpaduan antara gelang plastik dan motherboard komputer miniatur atau mungkin sebuah cincin berlian bergaya teknologi.

Solusi ini cukup fleksibel sehingga dayanya dapat ditingkatkan dengan menambahkan lebih banyak blok generator. Salah satu peneliti membandingkan solusi ini dengan cara kita menangani Lego:

“Ini seperti menyusun sekumpulan potongan Lego kecil untuk membuat struktur besar. Ini memberi Anda banyak opsi kustomisasi.”

Film Ultra‑Tipis Fleksibel yang Menyalakan Wearable Generasi Berikutnya

Penelitian terbaru, dipimpin oleh tim dari Queensland University of Technology, mengembangkan film ultra‑tipis fleksibel yang dapat menyalakan perangkat wearable generasi berikutnya menggunakan panas tubuh, menghilangkan kebutuhan akan baterai.

Selain itu, teknologi ini dapat mendinginkan chip elektronik, membantu smartphone dan komputer beroperasi lebih efisien.

Menurut Profesor Zhi‑Gang Chen, penelitian timnya yang baru dipublikasikan di jurnal bergengsi Science:

“Perangkat termoelektrik fleksibel dapat dipakai dengan nyaman di kulit dimana mereka secara efektif mengubah perbedaan suhu antara tubuh manusia dan udara sekitar menjadi listrik.”

Saat membicarakan potensi aplikasi teknologi ini, Profesor Chen menyoroti bahwa teknologi ini dapat diterapkan di ruang sempit, seperti di dalam komputer atau ponsel, untuk membantu mendinginkan chip dan meningkatkan kinerja.

Aplikasi lain termasuk manajemen termal pribadi, di mana panas tubuh dapat memberi daya pada sistem pemanas, ventilasi, dan pendingin wearable. Peneliti mencatat beberapa tantangan yang juga berlaku untuk inovasi serupa. Tantangan tersebut meliputi fleksibilitas terbatas, proses manufaktur kompleks, biaya tinggi, dan kinerja yang belum memadai.

Namun, penelitian yang kami bahas saat ini menawarkan beberapa solusi dalam hal pengelolaan biaya. Sementara kebanyakan penelitian di bidang ini berfokus pada termoelektrik berbasis bismuth telluride, yang dihargai karena sifat tinggi dalam mengubah panas menjadi listrik, tim memperkenalkan teknologi biaya‑efektif untuk membuat film termoelektrik fleksibel dengan menggunakan kristal kecil, atau “nano binder,” yang membentuk lapisan konsisten lembaran bismuth telluride, meningkatkan efisiensi dan fleksibilitas.

Lebih spesifik, tim menggunakan “sintesis solvotermal,” teknik yang membentuk nanokristal dalam pelarut pada suhu dan tekanan tinggi, dikombinasikan dengan “screen‑printing” dan “sintering.”

Para peneliti menciptakan film berukuran A4 yang dapat dicetak dengan kinerja termoelektrik tertinggi, fleksibilitas luar biasa, skalabilitas, dan biaya rendah. Metode screen‑printing memungkinkan produksi film berskala besar, sementara sintering memanaskan film hingga hampir titik leleh, mengikat partikel bersama.

Solusi ini juga dapat bekerja dengan sistem lain, seperti termoelektrik berbasis perak selenida, yang potensial lebih murah dan lebih berkelanjutan dibandingkan material tradisional.

Kata Penutup

Manajemen energi yang berhasil telah berkembang menjadi ambang batas paling kritis yang dapat menentukan keberhasilan atau kegagalan solusi teknologi. Teknik pemanenan energi yang memanfaatkan panas tubuh untuk memberi daya pada teknologi wearable merupakan pendekatan paling menjanjikan dalam arah ini, memastikan efisiensi tanpa memerlukan energi atau daya eksternal. Solusi yang dihasilkan dari upaya ini berkelanjutan. Dengan adopsi yang meningkat, kini hanya masalah waktu sebelum solusi ini siap untuk produksi komersial berskala besar, mengurangi biaya dan meningkatkan ketersediaan.

Referensi Studi:

^{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}