I raccoglitori di energia aptica ti consentono di essere la tua propria banca di batterie

Probabilmente hai sentito i termini Energia Aptica o Feedback Aptico. Il termine è stato usato frequentemente in questi tempi di tecnologia indossabile. Nel 2024, un volume enorme di 534 milioni di unità indossabili sono state spedite a livello globale.

Queste unità includevano una vasta gamma di dispositivi elettronici come smartwatch, fitness tracker, cuffie, dispositivi di realtà estesa, ovvero visori VR e occhiali di realtà aumentata. Con l’emergere dell’elettronica indossabile, è emerso un paradigma di energia aptica.

Negli ultimi quattro decenni, il principale metodo di comunicazione nell’elettronica è stato il feedback udibile o visivo, con il linguaggio principale della comunicazione costituito da suono e luce. Ma oggi, il feedback aptico è diventato un altro modo per l’elettronica di comunicare con gli esseri umani, utilizzando il loro senso del tatto.

Smartphone, smartwatch, fitness tracker – tutti questi sistemi portatili alimentati a batteria potrebbero utilizzare l’aptica. Come applicazione, ha una posizione ben consolidata nei settori consumer, industriale e automobilistico, come smartphone, tablet, mouse, sportelli ATM e sistemi di infotainment automobilistici. 

Ora, un team di ricercatori ha applicato con successo energia aptica ai dispositivi indossabili¹. Mentre parlava dello scopo della loro ricerca e dell’importanza di ciò che poteva realizzare, Saad Khan, co‑autore corrispondente e Professore INVISTA di Ingegneria Chimica e Biomolecolare alla NC State, ha dichiarato:

“Abbiamo poi avviato una serie di esperimenti per esplorare se potevamo usare gli amphifili per modificare i materiali e incorporarli nei raccoglitori di energia aptica.” 

Per saperne di più sulla ricerca e sui suoi risultati, approfondiremo nel segmento successivo. 

Compressione di Amphifili Assemblati su Superfici Scivolose per Raccoglitori di Energia Aptica Regolabili

Fonte: NC State University

I ricercatori hanno realizzato che una sfida ricorrente nell’estrazione di energia dal movimento ambientale era che i dispositivi dovevano mantenere un’alta efficienza di raccolta e un’esperienza utente positiva quando la loro interfaccia subiva compressioni dinamiche. I ricercatori hanno dimostrato che piccoli amphifili potevano essere usati per regolare attrito, aptica e proprietà triboelettriche assemblandoli in conformazioni specifiche sulla superficie dei materiali. Gli amphifili sono molecole spesso usate nei prodotti di consumo per ridurre l’attrito contro la pelle umana. Per esempio, queste molecole sono spesso incorporate nei pannolini per prevenire irritazioni. 

Parlando della ricerca e delle motivazioni che l’hanno guidata, Lilian Hsiao, autrice corrispondente del lavoro e professoressa associata di Ingegneria Chimica e Biomolecolare alla North Carolina State University, ha dichiarato:

“Ci siamo proposti di sviluppare un modello che ci fornisse una comprensione fondamentale dettagliata di come diversi amphifili influenzino l’attrito superficiale di diversi materiali.”

I ricercatori hanno osservato che le molecole che formano più piani di scivolamento sotto pressione, soprattutto tramite impilamento π‑π, producono un attrito inferiore dell’80‑90% rispetto a quelle che formano mesostrutture disordinate. Di conseguenza, i ricercatori hanno proposto un quadro di scala per le loro proprietà di riduzione dell’attrito che tenga conto dell’adesione e della meccanica del contatto.

Nel raggiungere il loro scopo, i ricercatori hanno notato che le superfici rivestite di amphifili tendevano a resistere all’usura e a generare una percezione tattile distinta, con gli esseri umani che preferivano materiali più scivolosi. A un altro livello, i ricercatori potevano anche migliorare la produzione triboelettrica usando amphifili con alta affinità elettronica.

In sintesi, le molecole che possono auto‑organizzarsi in piani scivolosi sotto pressione rappresentano un modo semplice per avanzare lo sviluppo di raccoglitori di energia aptica su larga scala. Per spiegare in termini più pratici, i ricercatori hanno scoperto che era possibile usare gli amphifili per creare tessuti indossabili con superfici scivolose che risultavano piacevoli sulla pelle umana. 

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che alcuni amphifili, grazie alle loro proprietà elettroniche intrinseche, potevano funzionare come donatori di elettroni. Questi amphifili donatori di elettroni, quando incorporati nei materiali indossabili, producevano un materiale confortevole capace di generare elettricità attraverso l’attrito prodotto dallo sfregamento contro la pelle umana o altre superfici.  

In sintesi, come ha evidenziato Hsiao, nei test di prova di concetto, i ricercatori hanno riscontrato che questi materiali amphifili non solo risultavano piacevoli sulla pelle, ma potevano generare fino a 300 volt, cosa notevole per un piccolo pezzo di materiale.

Secondo Saad Khan:

“Siamo interessati a fare di più per sfruttare questi materiali, ad esempio esplorando come possono essere incorporati nei dispositivi aptici esistenti. E siamo aperti a collaborare con partner industriali per identificare nuove applicazioni.”

Mentre la ricerca e la sua adozione industriale devono procedere di pari passo, ci sono diverse aziende che sono già profondamente impegnate nella ricerca di prodotti che raccoglierebbero energia dal corpo per alimentare dispositivi tecnologici indossabili. Nei segmenti seguenti, discuteremo un paio di aziende pionieristiche che potrebbero beneficiare di ricerche come quella discussa. 

1. Medtronic PLC (MDT )

Una delle aziende che ha lavorato ampiamente con la tecnologia indossabile è Medtronic. Questo grande gigante med‑tech è probabilmente uno dei meglio posizionati per sfruttare i raccoglitori di energia aptica. 

Una delle offerte più significative di Medtronic è il BioButton, un dispositivo indossabile di grado medico, multi‑parametro, progettato per il monitoraggio intelligente dei pazienti. Fornisce dati di tendenza su parametri vitali chiave e biometrie, fungendo da indicatore precoce di deterioramento del paziente.

Progettato per il monitoraggio continuo dei principali indicatori di deterioramento del paziente, il monitor può misurare la frequenza respiratoria a riposo, la frequenza cardiaca a riposo, la temperatura cutanea e una serie di biometrie. L’indossabile ha reso possibile ai ricercatori di esplorare dati di tendenza per aiutare i clinici a identificare i pazienti che potrebbero necessitare di intervento clinico e quelli pronti per la dimissione.

Nel 2022, Medtronic ha stipulato una partnership strategica con BioIntelliSense, azienda di monitoraggio continuo della salute e intelligenza clinica, per i diritti esclusivi di distribuzione negli Stati Uniti negli ospedali e per 30 giorni post‑acuti da ospedale a casa del BioButton. 

Durante l’annuncio della partnership, Frank Chan, Ph.D., presidente del business di Patient Monitoring, parte del Medical Surgical Portfolio di Medtronic, ha dichiarato:

“La nostra visione è dare potere a clinici e pazienti con insight azionabili per personalizzare le cure — in qualsiasi momento, ovunque. Attraverso la nostra collaborazione con BioIntelliSense, supporteremo cure continue e connesse dall’ospedale a casa, ampliando la nostra portata per aiutare più pazienti in più luoghi che mai.”

Essendo una delle aziende med‑tech più importanti al mondo, Medtronic è probabilmente la più ben posizionata per beneficiare di ricerche come quella discussa. Nel maggio 2024, Medtronic ha annunciato risultati finanziari per il suo quarto trimestre e l’anno fiscale 2024. L’azienda ha riportato un fatturato del Q4 di 8,6 miliardi di dollari, un aumento dello 0,5% secondo i dati dichiarati e del 5,4% a livello organico. L’azienda ha riportato un fatturato FY 24 di 32,4 miliardi di dollari, un aumento del 3,6% secondo i dati dichiarati e del 5,2% a livello organico. 

2. Philips

Come Medtronic, un altro gigante tecnologico che ha investito molto in R&D per sviluppare tecnologie indossabili all’avanguardia è Philips. Le soluzioni di monitoraggio indossabili per pazienti di Philips offrono ai pazienti la libertà di muoversi all’interno dell’unità di cura o dell’ospedale.

Progettati per il comfort, i dispositivi indossabili per pazienti di Philips utilizzano la tecnologia wireless per trasmettere dati e allarmi dove sono necessari, ad esempio in un’area infermieristica centrale, in un’area di osservazione remota o sul dispositivo mobile di un caregiver. I dispositivi presentano una gamma di capacità di misurazione per soddisfare le esigenze cliniche delle popolazioni di pazienti di cura generale e intermedia. 

Il nome del prodotto è Intellivue MX40. Gli utenti possono operare l’IntelliVue MX40 con batterie AA usa e getta o con una singola batteria ricaricabile Philips. Il dispositivo supporta la possibilità di ottenere informazioni ECG a 12 derivazioni derivate monitorando continuamente ST e QT, FAST SpO2 e respirazione a impedenza. Con fino a 5 formati di schermo, le informazioni necessarie sono disponibili con un solo tocco.

Il dispositivo dispone di una connessione wireless a corto raggio verso i monitor IntelliVue per catturare i segni vitali o per una visualizzazione più completa. Il dispositivo presenta un connettore unico progettato per ridurre la raccolta di sporco e liquidi e un design della custodia che resiste a disinfettanti di alto livello, inclusa la sterilizzazione periodica.

Secondo le ultime informazioni disponibili, nel 2023, Philips ha registrato vendite per 18,2 miliardi di euro con una crescita delle vendite comparabili del 6% e un margine EBITA rettificato del 10,6% 

Mentre grandi aziende tecnologiche come Medtronic e Philips stanno sviluppando prodotti che possono beneficiare notevolmente dai raccoglitori di energia aptica, diverse altre organizzazioni di ricerca hanno lavorato lungo le stesse linee. 

Nei segmenti successivi, discuteremo alcuni studi di ricerca che hanno il potenziale di rivoluzionare le applicazioni in questo campo.

Prototipo elettronico che raccoglie energia dal calore corporeo e la trasforma in elettricità

Nel settembre 2024, sono emerse notizie da ricercatori dell’Università di Washington che hanno sviluppato un prototipo elettronico flessibile e durevole capace di raccogliere energia dal calore corporeo e trasformarla in elettricità per alimentare piccoli dispositivi elettronici, come batterie, sensori o LED. La resilienza del dispositivo lo mantiene utilizzabile anche dopo essere stato perforato più volte e allungato fino a 2000 volte. 

Secondo l’autore senior Mohammad Malakooti, professore assistente di ingegneria meccanica alla UW:

“Quando posizioni questo dispositivo sulla pelle, utilizza il calore del tuo corpo per alimentare direttamente un LED. Non appena lo metti, il LED si accende. Questo non era possibile prima.”

Per spiegare funzionalmente, il dispositivo ha tre strati principali. Lo strato centrale contiene semiconduttori termoelettrici rigidi che convertono il calore in elettricità. Questi semiconduttori sono circondati da compositi stampati in 3D con bassa conduttività termica, che migliorano la conversione energetica e riducono il peso del dispositivo.

Inoltre, per fornire elasticità, conduttività e auto‑guarigione elettrica, i semiconduttori sono collegati con tracce di metallo liquido stampate. Inoltre, goccioline di metallo liquido incorporate negli strati esterni migliorano il trasferimento di calore ai semiconduttori e mantengono la flessibilità poiché il metallo resta liquido a temperatura ambiente.

Parlando dei benefici della tecnologia e del suo scopo più ampio, Mohammad Malakooti ha dichiarato:

“Questo potrebbe essere particolarmente utile nei data center, dove server e apparecchiature informatiche consumano notevoli quantità di elettricità e generano calore, richiedendo ancora più energia per mantenerli freschi. I nostri dispositivi possono catturare quel calore e riutilizzarlo per alimentare sensori di temperatura e umidità.”

Ha aggiunto:

“Questo approccio è più sostenibile perché crea un sistema autonomo che monitora le condizioni riducendo il consumo energetico complessivo. Inoltre, non è necessario preoccuparsi della manutenzione, della sostituzione delle batterie o dell’aggiunta di nuovi cablaggi.”

In futuro, i ricercatori erano ottimisti sul trovare applicazioni di questa tecnologia in sistemi di realtà virtuale e altri accessori indossabili per creare sensazioni di caldo e freddo sulla pelle o migliorare il comfort complessivo. 

Tre anni prima, nell’ottobre 2021, ricercatori del CU Boulder avevano ottenuto una scoperta simile. Esamineremo quella ricerca nel segmento successivo.

Clicca qui per saperne di più sul tessuto intelligente che converte il calore corporeo in energia.

Dispositivo indossabile che ha trasformato il corpo in una batteria

Ricercatori del CU Boulder hanno ideato un nuovo dispositivo indossabile a basso costo che potrebbe trasformare il corpo umano in una batteria biologica. 

Una delle caratteristiche più allettanti del dispositivo era la sua elasticità, sufficiente per essere indossato come anello, braccialetto o qualsiasi altro accessorio a contatto con la pelle dell’utente. Sfruttava il calore naturale di una persona impiegando generatori termoelettrici per convertire la temperatura interna del corpo in elettricità. 

Il dispositivo poteva generare circa 1 volt di energia per ogni centimetro quadrato di pelle — meno tensione per area rispetto alla maggior parte delle batterie esistenti, ma comunque sufficiente per alimentare elettronica come orologi o fitness tracker. 

I ricercatori hanno utilizzato una base realizzata in un materiale elastico chiamato polimina e poi hanno inserito una serie di sottili chip termoelettrici in quella base, collegandoli tutti con fili di metallo liquido. Il prodotto finale assomigliava a un incrocio tra un braccialetto di plastica e una scheda madre miniaturizzata o forse un anello tecnologico a forma di diamante.  

La soluzione era sufficientemente flessibile da permettere al suo potere di essere potenziato aggiungendo ulteriori blocchi di generatori. Uno dei ricercatori ha paragonato la soluzione al modo in cui gestiamo i Lego:

“È come assemblare una serie di piccoli pezzi Lego per creare una struttura più grande. Offre molte opzioni di personalizzazione.”

Film ultra‑sottile e flessibile che alimenta i dispositivi indossabili di nuova generazione

Una ricerca più recente, guidata da un team della Queensland University of Technology, ha sviluppato un film ultra‑sottile e flessibile in grado di alimentare dispositivi indossabili di nuova generazione usando il calore corporeo, eliminando la necessità di batterie.

Inoltre, la tecnologia potrebbe raffreddare i chip elettronici, aiutando smartphone e computer a funzionare in modo più efficiente.

Secondo il Professore Zhi‑Gang Chen, la nuova ricerca del suo team è stata pubblicata nella prestigiosa rivista Science:

“I dispositivi termoelettrici flessibili possono essere indossati comodamente sulla pelle dove trasformano efficacemente la differenza di temperatura tra il corpo umano e l’aria circostante in elettricità.”

Parlando delle potenziali applicazioni di questa tecnologia, il Prof. Chen ha evidenziato che potrebbe essere impiegata in spazi ristretti, come all’interno di un computer o di un telefono cellulare, per aiutare a raffreddare i chip e migliorare le prestazioni. 

Altre applicazioni includono la gestione termica personale, dove il calore corporeo potrebbe alimentare un sistema indossabile di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria. I ricercatori hanno citato alcune sfide comuni a innovazioni simili: flessibilità limitata, produzione complessa, costi elevati e prestazioni insufficienti.

Tuttavia, la ricerca attuale offre alcune soluzioni nella gestione dei costi. Mentre la maggior parte delle ricerche in questo ambito si è concentrata su termoelettrici a base di tellururo di bismuto, noti per le loro elevate proprietà di conversione del calore in elettricità, il team ha introdotto una tecnologia a basso costo per la realizzazione di film termoelettrici flessibili usando minuscoli cristalli, o “nano leganti”, che formano uno strato coerente di fogli di tellururo di bismuto, aumentando sia l’efficienza sia la flessibilità.

Più specificamente, il team ha impiegato la “sintesi solvotermica”, una tecnica che forma nanocristalli in un solvente ad alta temperatura e pressione, combinata con la “stampa a serigrafia” e la “sintring”. 

I ricercatori hanno creato un film stampabile formato A4 con prestazioni termoelettriche record, eccezionale flessibilità, scalabilità e basso costo. Il metodo di stampa a serigrafia ha permesso la produzione su larga scala del film, mentre la sintring ha riscaldato i film quasi al punto di fusione, legando le particelle tra loro.

La soluzione potrebbe funzionare anche con altri sistemi, come i termoelettrici a base di selenio d’argento, che erano potenzialmente più economici e sostenibili rispetto ai materiali tradizionali.

Parole conclusionali

La gestione efficace dell’energia è diventata la soglia più critica che può determinare il successo o il fallimento di una soluzione tecnologica. Le tecniche di raccolta dell’energia che sfruttano il calore corporeo per alimentare la tecnologia indossabile rappresentano l’approccio più promettente in questa direzione, garantendo efficienza senza richiedere energia o alimentazione esterna. Le soluzioni derivanti da questi sforzi sono sostenibili. Con l’adozione crescente, è solo una questione di tempo prima che queste soluzioni siano pronte per una produzione commerciale su larga scala, riducendo i costi e migliorando la disponibilità.  

Riferimento allo studio:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Compressione di amphifili assemblati su superfici scivolose per raccoglitori di energia aptica regolabili. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}