Potremmo presto alimentare i nostri dispositivi elettronici con raccoglitori di energia indossabili?

Rendere flessibili i dispositivi elettronici

Con gli smartphone siamo abituati a portare l’elettronica con noi in ogni momento. Tuttavia, ciò avviene ancora con un ingombrante blocco di metallo e plastica, che, se non altro, diventa più grande e più pesante ogni anno.

Il passo successivo sarebbe incorporare i dispositivi elettronici nel nostro abbigliamento in modo più fluido. Questo è già iniziato con l’elettronica indossabile come gli smartwatch e altri dispositivi indossabili focalizzati sulla salute.

Un passo oltre sarebbe integrare direttamente l’elettronica nei nostri vestiti. Ma per farlo, dovrebbe essere molto flessibile e leggero. Sono stati fatti solidi progressi in questa direzione:

• Gli schermi pieghevoli sono ora regolarmente integrati negli smartphone di fascia alta da Samsung e Huawei.
• Batterie pieghevoli e allungabili realizzate con polimeri sono in fase di sviluppo.
• Anche i microprocessori possono essere piegati.

Quindi, se schermi, batterie e persino processori sono ora flessibili e pieghevoli, cosa ci impedisce ancora di avere dispositivi indossabili integrati nei nostri vestiti? Alimentare tutti questi componenti rimane un serio ostacolo.

Ma questo potrebbe cambiare, grazie a una scoperta di ricercatori coreani del Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), della Hannam University, della Yonsei University, del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), del Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) e della Jeonbuk National University.

Hanno sviluppato un raccoglitore di energia indossabile 280 volte più efficiente dei dispositivi convenzionali, utilizzando un nuovo tipo di raccoglitore di energia piezoelettrico.

È stato pubblicato su ACS Nano, con il titolo “Curvature-Specific Coupling Electrode Design for a Stretchable Three-Dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator¹”.

Dispositivi Triboelettrici e Piezoelettrici

I raccoglitori di energia sono sistemi che producono energia dal movimento. Esistono principalmente due tipologie, basate sul fatto che operino sull’effetto triboelettrico o su quello piezoelettrico.

I generatori triboelettrici sono ciò che comunemente si chiama elettrostatico, ovvero ciò che avviene quando due oggetti si toccano o scivolano l’uno contro l’altro. Questo può generare una certa quantità di elettricità, ma spesso è troppo debole per alimentare l’elettronica.

Il piezoelettrico è l’effetto di generare elettricità in risposta a sollecitazioni meccaniche come piegature, compressioni, ecc. Fino a ora, la maggior parte dei raccoglitori di energia piezoelettrici è stata realizzata con materiali piezoelettrici organici o compositi, che hanno una bassa efficienza energetica.

Il team del professor Jang stava utilizzando un altro tipo di materiale: il titanio zirconato di piombo (PZT).

Source: DGIST

Generatore Piezoelettrico PZT

Il PZT è noto da tempo per le sue eccellenti prestazioni piezoelettriche, ma è anche duro e fragile. Pertanto, usarlo in dispositivi allungabili e contare sul movimento per generare energia sembrava improbabile per creare un generatore durevole per dispositivi indossabili.

Così, i ricercatori hanno studiato come progettare una struttura 3D basata su PZT che fosse insensibile alla deformazione e garantisse allungabilità mantenendo la capacità piezoelettrica.

Il primo passo è stato creare un elettrodo curvo con forma convessa che produce energia quando viene allungato.

Source: ACS Nano

Successivamente hanno assemblato catene di questi elettrodi tra loro, in modo simile alla trama di un tessuto o di un cesto di vimini.

Source: ACS Nano

Risoluzione dei Problemi

Poiché gli elettrodi sono intrecciati, potrebbero annullarsi a vicenda. Per evitare ciò, gli elettrodi sono stati suddivisi in regioni convesse e concave in base alla direzione della tensione di uscita indotta.

La corrente può essere generata da qualsiasi movimento del corpo, come testato dai ricercatori sul ginocchio, sulla mano o persino sulle dita.

Source: ACS Nano

Questo ha creato un generatore piezoelettrico molto efficiente, che mostra sia un’estrema allungabilità sia la più alta densità di corrente per qualsiasi dispositivo di questo tipo.

Source: ACS Nano

“Sviluppare questa tecnologia di raccoglitore di energia piezoelettrico allungabile ad alta efficienza è un risultato importante di questa ricerca. Ci aspettiamo che questa tecnologia diventi utile dopo la commercializzazione e conduca all’uso pratico dei raccoglitori di energia indossabili.”

Prof. Kyung-In Jang – Dipartimento di Robotica e Ingegneria Meccatronica, DGIST

Applicazioni

Wearables

L’applicazione più diretta sarebbe alimentare l’elettronica integrata nei vestiti quando ci muoviamo, ad esempio durante la camminata.

Questo potrebbe essere utile per i dispositivi indossabili, in particolare per quelli di monitoraggio della salute, che così non dipenderebbero da una ricarica regolare della batteria.

Impianti Medici

Un tipo specifico di impianto potrebbe trarre grande beneficio da questo genere di generatore: gli impianti cardiaci.

Il cuore si muove e si contrae costantemente, il che può fornire una fonte di energia stabile per tali impianti medici.

I ricercatori hanno testato il concetto incapsulando il generatore in un film di poliimmide. Questo è stato necessario per isolare efficacemente il PZT da biofluidi e tessuti, poiché il PZT può essere tossico.

Source: ACS Nano

Militare

Un’altra applicazione potrebbe essere nel settore militare, dove la fanteria dipende sempre più da sensori ad alto consumo energetico, comunicazioni, guerra elettronica, ecc.

E non è pratico per le unità di combattimento dover gestire un groviglio di cavi e batterie. Allo stesso tempo, devono già gestire armi, munizioni, soluzioni di telecomunicazione, ecc. Un generatore piezoelettrico collegato direttamente all’elettronica flessibile nell’uniforme dei soldati potrebbe rappresentare una valida alternativa.

Investire nei Wearables

La tecnologia indossabile dovrebbe crescere del 14,6% CAGR fino al 2030, da 61,2 Mrd $ nel 2022.

Source: Grand View Research

È possibile investire in società legate ai wearables tramite molti broker; qui su securities.io trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli USA, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere singole società, puoi anche considerare ETF come l’iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) o il SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), che offrono un’esposizione più diversificata per capitalizzare sulla crescita dei settori wearables e dispositivi medici.

Puoi anche consultare il nostro articolo “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Società di Wearables

Costruire Wearables

Un modo per realizzare elettronica flessibile è usare i polimeri. Un altro è impiegare un metallo molto flessibile e non tossico, il gallio, di cui abbiamo discusso in un report di investimento dedicato.

L’energia solare, oltre all’effetto piezoelettrico, potrebbe anche ricaricare i wearables flessibili. Ciò potrebbe essere ottenuto usando celle solari perovskite o la tecnologia fotovoltaica organica ultrafine.

Philips è un noto marchio di elettronica di consumo (rasoio, spazzolino elettrico), attivo anche nel settore sanitario. È stato il numero 1 per le domande di brevetto MedTech in Europa nel 2022.

È attiva in prodotti medici connessi, dai wearables all’imaging, ai respiratori o ai robot medici. L’azienda è anche presente nei semiconduttori (inclusa la tecnologia maglev) e nell’alta tecnologia/robotica/automazione.

Source: Philips

I wearables di Philips coprono metriche cardiache, respiratorie e di attività. I suoi sensori possono essere integrati in smartwatch, monitor di salute, patch mediche e tracker di attività.

Per quanto riguarda i wearables, Philips predilige una soluzione di partnership, sviluppando per terze parti “i loro” dispositivi IoT medici connessi, pienamente compatibili con il resto delle soluzioni Philips. In questo contesto, offre ai clienti prototipazione, consulenza normativa, sviluppo prodotto end‑to‑end e produzione su scala industriale.

Ciò rende Philips un’azienda focalizzata sulla tecnologia e un candidato probabile per integrare rapidamente innovazioni come i generatori piezoelettrici flessibili nei dispositivi medici esistenti.

Nel 2023, i dispositivi Philips hanno influito direttamente su 1,82 miliardi di persone.

L’azienda vuole creare un ambiente sanitario digitale completamente integrato, dove i sensori corrispondono ai dispositivi, per poi utilizzare molteplici soluzioni di connettività per integrarsi nella piattaforma Philips HealthSuite Cloud e consentire analisi approfondite dei dati.

Source: Philips

Come fornitore del settore MedTech, Philips non è così visibile nel settore quanto altre aziende più note. Tuttavia, è esperta nella costruzione di dispositivi elettronici e sensori ad alte prestazioni, spingendo spesso i limiti di ciò che è possibile nel suo segmento di assistenza sanitaria e wearables.

Con i wearables sempre più integrati nella sanità e nei protocolli medici, il segmento Healthcare di Philips probabilmente crescerà come parte del conglomerato.

Riferimento allo Studio:

^{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). Curvature-specific coupling electrode design for a stretchable three-dimensional inorganic piezoelectric nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}