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Scoperta di un Dispositivo Termoelettrico Pronta a Far Progredire i Dispositivi Indossabili
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Un team di ricerca della Queensland University of Technology (QUT) ha sviluppato un film flessibile ed estremamente sottile per alimentare i dispositivi indossabili utilizzando solo il calore del nostro corpo, eliminando così la necessità di batterie.
La nuova tecnologia potrebbe anche essere usata per raffreddare i chip elettronici negli smartphone e nei computer, contribuendo così a farli funzionare in modo più efficiente e migliorando la loro stabilità.
La scoperta, secondo il professor Zhi-Gang Chen, direttore fondatore dell’ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), affronta una sfida chiave nella creazione di un dispositivo termoelettrico che converte il calore corporeo in energia. Il dispositivo ha il potenziale di diventare una fonte di energia sostenibile per l’elettronica indossabile.
Parlando dei dispositivi termoelettrici flessibili, il professor Chen ha spiegato che:
“Possono essere indossati comodamente sulla pelle, dove trasformano efficacemente la differenza di temperatura tra il corpo umano e l’aria circostante in elettricità.”
Costruire un Dispositivo Termoelettrico Indossabile Eccezionale
I dispositivi che possono convertire il calore corporeo in energia, sebbene siano un argomento di grande interesse e ricerca, attualmente affrontano la sfida di costi elevati, produzione complessa, flessibilità limitata e prestazioni insufficienti, impedendo la loro produzione di massa e adozione.
Nell’ultimo studio pubblicato sulla rivista Science, il team QUT ha introdotto un metodo economico per creare film termoelettrici flessibili. Per questo, hanno utilizzato minuscoli cristalli o ‘nanobinders’ che formano uno strato uniforme di fogli di tellururo di bismuto, aumentando sia la flessibilità sia l’efficienza.
Il tellururo di bismuto (Bi2Te3) è un materiale popolare usato dai ricercatori per costruire tali dispositivi. La polvere grigia è un composto di bismuto e tellurio. Il semiconduttore chimicamente stabile presenta eccellenti proprietà che convertono il calore in elettricità, rendendolo ideale per applicazioni a bassa potenza come monitor di movimento, frequenza cardiaca e temperatura.
Quindi, il team QUT ha creato un film stampabile di formato A4 “con prestazioni termoelettriche record, flessibilità eccezionale, scalabilità e basso costo, rendendolo uno dei migliori termoelettrici flessibili disponibili”, ha dichiarato il professor Chen.
Il film stampabile del team QUT comprende nanoplaccche a base di Bi2Te3 come granuli altamente orientati e nanorod di Te come “nanobinders”.
La tecnica utilizzata qui è stata la “sintesi solvotermica”, che forma nanocristalli in un solvente a temperature e pressioni elevate. Questa tecnica è stata combinata con la “sinterizzazione”, che riscalda i film quasi al punto di fusione per legare le particelle insieme, e con la “serigrafia”, che consente la produzione su larga scala del film.
Il metodo utilizzato dal team potrebbe funzionare anche con altri sistemi inorganici come i termoelettrici a base di seleniuro d’argento (Ag2Se), potenzialmente più economici e sostenibili rispetto ai materiali convenzionali, dimostrando la vasta applicabilità della tecnica.
“Questa flessibilità nei materiali mostra le ampie possibilità che il nostro approccio offre per far progredire la tecnologia termoelettrica flessibile.”
– Il primo autore dello studio, Wenyi Chen
Il dispositivo, secondo lo studio, ha raggiunto una densità di potenza normalizzata di >3 μW cm−2 K−2, che il team afferma essere “tra le più alte nei dispositivi stampati a serigrafia”.
Con ciò, la ricerca più recente offre una soluzione potente per dispositivi indossabili come smartwatch e gestione termica personale. Oltre ad alimentare gli indossabili, questi dispositivi termoelettrici possono essere applicati in spazi ristretti, come l’interno di un telefono cellulare, per aiutare a raffreddare i chip e migliorare le prestazioni.
Ad esempio, quando applicato all’interno di un dispositivo, il film può ridurre la temperatura del chip fino a 11,7 Kelvin, contribuendo così a mantenere prestazioni ottimali nei dispositivi elettronici.
Se il team riuscirà a migliorare le prestazioni di questo dispositivo elettrico flessibile, potrà alimentare direttamente gli smartphone del futuro, ha dichiarato Chen nel video ufficiale intitolato “La scoperta avvicina i dispositivi indossabili alimentati dal calore corporeo alla realtà”, pubblicato sul canale YouTube dell’Università.
Altre potenziali applicazioni del dispositivo includono sistemi di climatizzazione e ventilazione. Il team di ricerca QUT prevede anche l’uso di dispositivi termoelettrici in abbigliamento intelligente e componenti automobilistici.
Questo è solo l’inizio; nel prossimo passo, il team si concentrerà sull’ottimizzazione delle prestazioni della tecnologia e sulla sua scalabilità. Commercializzare la tecnologia, dopotutto, richiede di superare le sfide di efficienza dei costi su larga scala, durata e integrazione con i dispositivi esistenti.
Ulteriori ricerche e sviluppo continuo aiuteranno questi dispositivi a rivoluzionare l’efficienza energetica in vari settori, dall’elettronica di consumo a quella medica e automobilistica.
Progressi nella Tecnologia Indossabile
Nel mondo tecnologicamente avanzato di oggi, i dispositivi indossabili sono emersi come un’innovazione popolare e altamente vantaggiosa.
I dispositivi indossabili sono semplicemente dispositivi elettronici mobili progettati per essere indossati sul corpo o fissati ai vestiti. Alcuni dei tipi più comuni di tecnologia indossabile includono smartwatch, occhiali intelligenti e gioielli smart come anelli e braccialetti. Questi dispositivi tracciano, analizzano e trasmettono dati personali.
Una delle applicazioni più importanti degli indossabili è stata trovata nella sanità. Possono essere usati per monitorare la temperatura corporea, la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e altri segni vitali. L’applicazione di questi dispositivi si estende ulteriormente a patologie fisiologiche come ipertensione e disturbi muscolari, nonché a disturbi neurocognitivi come la malattia di Alzheimer e il morbo di Parkinson. Gli indossabili sono anche utilizzati come sistema di somministrazione di farmaci, contribuendo a personalizzare l’assistenza sanitaria.
Diversi tipi di dispositivi indossabili sono attualmente utilizzati nel campo sanitario. Questo include dispositivi indossabili basati sulla pelle come e-skin, giubbotti indossabili, anelli smart, auricolari e dispositivi basati su biofluidi che sfruttano saliva, lacrime e urina.
Oltre alla sanità, gli indossabili sono usati per comunicare con gli altri, effettuare pagamenti e monitorare i livelli di attività, nonché nei settori dello stile di vita, del gioco, dello sport, del fitness, della sicurezza e della difesa.
Nel corso degli anni, la tecnologia indossabile è progredita in vari modi. Per cominciare, ricercatori e aziende cercano sempre materiali migliori per costruire questi dispositivi. Materiali flessibili, estensibili e design morbidi ultra-sottili consentono a questi dispositivi di essere indossati comodamente e di mantenere la loro funzionalità.
Ad esempio, i metalli liquidi a base di gallio, che hanno alta conduttività e biocompatibilità, stanno aprendo la strada alla bioelettronica che si adatta meglio al corpo.
Per quanto riguarda i design, la tecnologia è evoluta significativamente rispetto ai metodi convenzionali, con un’attenzione maggiore ora all’integrazione senza soluzione di continuità con il corpo umano. I tatuaggi elettronici sono un ottimo esempio: sono elettroniche estremamente sottili, morbide come la pelle, che si conformano alla pelle e possono digitalizzare in modo non invasivo informazioni fisiologiche e psicologiche.
La miniaturizzazione di questi dispositivi, insieme all’elettronica stampata e ai tessuti intelligenti, ha portato a sensori che possono monitorare una varietà di parametri fisici mentre gli elettrodi vengono incorporati nei tessuti per misurare l’attività. Ad esempio, i sensori di sudore indossabili monitorano continuamente e in modo non invasivo gli indicatori di salute attraverso il sudore, potenziando la medicina di precisione.
Fonte: MDPI
Molti progressi stanno anche avvenendo nei sensori chimici intelligenti indossabili, che trovano un’applicazione crescente nella sanità, nel monitoraggio ambientale e nella valutazione della sicurezza.
Sono stati adottati vari approcci innovativi alla progettazione e alla fabbricazione dei sensori, con un sistema progettato per rilevare NO2 incorporando un elettrolita di alcool polivinilico/borace/agarosio/NaNO3 e elettrodi di nanotubi di carbonio multi-walled su nanosheet d’oro. Il sistema mostra prestazioni migliorate e capacità di auto-riparazione, rendendolo perfetto per applicazioni indossabili.
Superare le Limitazioni della Tecnologia Indossabile
Con tutte queste innovazioni che aiutano i dispositivi indossabili a diventare migliori e più efficaci, stanno trasformando diversi settori, soprattutto la sanità. Tuttavia, soffrono di limitazioni come la stabilità e la privacy.
Ad esempio, i dati ricevuti dai sensori di questi indossabili possono subire distorsioni e rumore a causa del costante movimento del corpo.
Le batterie utilizzate negli indossabili presentano un’altra sfida significativa. Le limitazioni delle fonti di energia hanno spinto i ricercatori a esplorare varie soluzioni, come i nanogeneratori piezoelettrici (PENG), che funzionano come sensori autoalimentati, e i nanogeneratori triboelettrici (TENG), che servono come raccoglitori di energia miniaturizzati.
I generatori termoelettrici, in particolare, hanno guadagnato molta attenzione nello spazio della tecnologia indossabile. Nel 2017, ricercatori della Zhejiang University e della Xidian University hanno pubblicato un articolo sul design di un generatore termoelettrico indossabile per raccogliere l’energia del corpo umano.
Come la ricerca più recente, anche questa ha utilizzato materiale termoelettrico a base di Bi2Te3 per creare un dispositivo in grado di generare una tensione di 48 mV per una differenza di temperatura di 12 K. Quando montato sulla pelle del polso umano, la potenza in uscita del generatore termoelettrico era di 130,6 nW a una temperatura ambiente di 25 °C, dimostrando il suo potenziale per la raccolta di energia dal calore corporeo umano e lo sviluppo di dispositivi mobili indossabili autoalimentati.
Un altro studio ha compiuto progressi nel design di generatori termoelettrici (TEG) per applicazioni di raccolta del calore corporeo. Il problema è che c’è una differenza di temperatura di 10-15°C tra la temperatura corporea e quella ambientale, ma solo una piccola parte passa attraverso un TEG indossabile a causa della resistenza termica della pelle.
Per superare le sfide dei TEG indossabili, è stato sviluppato un modello analitico quasi-3D completo, e poi è stata utilizzata una tecnica di lavorazione a microonde per sintetizzare nanocompositi termoelettrici ad alte prestazioni, che ha portato a una forte riduzione della conduttività termica e ha prodotto TEG con una densità di potenza 4-7 volte superiore rispetto ai TEG commerciali sul corpo umano.
Solo quest’anno, sono stati pubblicati diversi studi di ricerca che si concentrano sui dispositivi termoelettrici per indossabili.
Qualche mese fa, ricercatori dell’Università di Washington hanno anche sviluppato un prototipo altamente flessibile e morbido che può raccogliere energia dal calore corporeo e trasformarla in elettricità, che può quindi alimentare piccoli dispositivi elettronici. Per i loro dispositivi termoelettrici flessibili (TED), il team UW ha utilizzato architetture morbide 3D, semiconduttori rigidi, compositi multifunzionali e conduttori in metallo liquido auto-riparanti.
Oltre alla raccolta di energia, l’obiettivo di tutti questi studi è stato lo sviluppo di materiali termoelettrici leggeri e flessibili, la progettazione di superfici adattabili a diverse parti del corpo, il miglioramento della funzionalità degli indossabili e il raggiungimento di efficienza dei costi e scalabilità.
Il Mercato degli Indossabili in Rapida Crescita
Il progresso nella tecnologia indossabile e il conseguente aumento della funzionalità hanno incrementato l’adozione di questi dispositivi. L’interesse crescente per i dispositivi indossabili prevede che il loro mercato supererà i 150 miliardi di dollari prima della fine di questo decennio.
Il mercato degli indossabili come smartwatch e fitness tracker, in particolare, è in crescita da tempo. Sono davvero esplosi durante la pandemia, poiché la salute personale è diventata la priorità di tutti. Questi dispositivi stanno aggiungendo un numero crescente di metriche e, avvicinandosi a quelli dei dispositivi medici, sempre più consumatori li stanno adottando.
Oltre al fitness e alla sanità, i giganti tecnologici stanno mostrando un interesse particolare per gli indossabili di realtà virtuale, aumentata e mista (VR, AR e MR). L’abbigliamento intelligente e gli e-tessuti hanno anche attirato l’attenzione, ma continuano a affrontare sfide in termini di scalabilità della produzione e di economia del prodotto.
Curiosamente, il mercato dei servizi di pagamento indossabili dovrebbe crescere a un ritmo sostenuto, con un CAGR del 13,6% fino a 120 miliardi di dollari. Questa crescita è spinta dall’adozione della comunicazione in prossimità (NFC) negli smartphone, nei fitness tracker e in altri indossabili,
I tipi di prodotti della tecnologia indossabile includono inoltre patch elettroniche per la pelle, fasce toraciche, lenti a contatto intelligenti e fotocamere indossabili, anch’essi di interesse.
Secondo un rapporto recente, le spedizioni di dispositivi indossabili a livello globale dovrebbero crescere più del 6% anno su anno (YoY) quest’anno, raggiungendo quasi 538 milioni di unità. Questa crescita è guidata dal miglioramento dell’economia e dalla crescente adozione degli indossabili nelle regioni emergenti.
Tuttavia, questa crescita sarà disomogenea tra i settori, con gli indossabili, che rappresentano oltre il 60% del mercato degli indossabili, destinati a vedere un impulso man mano che i prezzi si stabilizzano. Gli smartwatch, nel frattempo, dovrebbero registrare un calo del 3%, il primo calo YoY, sebbene si preveda che rimbalzeranno con una crescita del 4,8% l’anno prossimo. Questo è dovuto all’aumento dei prezzi e a minimi cambiamenti di design.
Dispositivi Indossabili Emergenti
Per quanto riguarda i dispositivi indossabili emergenti, i settori del fitness e della sanità sono in prima linea.
Nel settore sanitario, i dispositivi indossabili per elettrocardiogramma (ECG), disponibili in smartwatch e patch, stanno trasformando la cura cardiaca a distanza. Questi dispositivi si collegano a app che memorizzano i dati ECG, che i medici possono esaminare a distanza e poi fornire una gestione proattiva della salute, portando a stili di vita più sani.
Gli indossabili di oggi consentono anche la raccolta continua di segni vitali grazie a sensori avanzati che forniscono dati in tempo reale sui loro utenti. Ad esempio, il monitoraggio continuo del glucosio (CGM) offre informazioni in tempo reale sui livelli di zucchero nel sangue, permettendo ai pazienti di monitorare la loro salute comodamente da casa.
Un’attenzione crescente tra le aziende è anche rivolta ai monitor della frequenza cardiaca. Gli smartwatch come il Casio G-Shock Rangeman sono dotati di un monitor della frequenza cardiaca per rilevare accuratamente i movimenti del corpo così come i cambiamenti dell’ambiente naturale grazie a GPS e sensori. Poi ci sono i monitor della frequenza cardiaca di Garmin‘s (GRMN ) che presentano un design confortevole che consente alle donne di agganciarli direttamente ai loro reggiseni sportivi.
Come possiamo vedere, la facilità di accesso è sicuramente il punto focale per le aziende tecnologiche che sviluppano indossabili. Questo è vero anche per gli anelli intelligenti Oura, che possono essere indossati su un dito. Il braccialetto è dotato di un accelerometro 3D per determinare il movimento, un sensore NTC per osservare la temperatura corporea e un sensore PPG per monitorare la frequenza cardiaca.
Poi c’è l’Evie Smart Ring, che ha adottato un approccio orientato alle donne nel suo design, consentendo il monitoraggio del sonno, della salute cardiaca e dei cicli mestruali. I biosensori indossabili, nel frattempo, offrono promettenti percorsi per la gestione dello stress rilevando sottili cambiamenti nei biomarcatori come i livelli di cortisolo.
Le aziende stanno anche realizzando cuffie che guidano gli utenti durante gli allenamenti, mentre guanti speciali come GyroGlove sono creati per i pazienti con Parkinson per ridurre i tremori e migliorare la qualità della vita.
Nel mondo dell’intrattenimento, indossabili come Xreal Air consentono agli utenti di guardare contenuti e giocare, mentre Meta‘s (META ) smart glasses permettono la creazione e la condivisione di contenuti. Poi ci sono indossabili come l’Ai Pin, che funziona con un processore Qualcomm (QCOM ) a otto core da 2,1 GHz e può scattare foto, inviare messaggi di testo e rispondere alle chiamate.
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Aziende Che Dominano il Settore degli Indossabili
Ora, per quanto riguarda le aziende, Apple (AAPL ) ha guidato il settore grazie al suo solido portafoglio di prodotti intelligenti come l’Apple Watch. Le metriche chiave di salute monitorate dall’orologio includono la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria, la temperatura del polso, l’ossigenazione del sangue e la durata del sonno.
AAPL Grafico dei prezzi
L’azienda più grande al mondo per capitalizzazione di mercato, pari a 3,75 trilioni di dollari, ha attualmente le azioni in scambio a 248 dollari, in crescita del 28,88% quest’anno. Apple ha un EPS (TTM) di 6,07 e un P/E (TTM) di 40,88 con un rendimento da dividendo dello 0,40%. Per il trimestre conclusosi il 28 settembre 2024, in cui l’azienda ha lanciato la linea iPhone 16, gli AirPods 4 e l’Apple Watch Series 10 con funzionalità per la salute dell’udito e la rilevazione dell’apnea notturna, il colosso tecnologico ha registrato un fatturato di 94,9 miliardi di dollari. ha pubblicato i risultati.
Nel frattempo, Google sta conquistando il mercato degli indossabili tramite Fitbit, acquisito nel 2021. L’azienda cinese Huawei ha anche lanciato quest’anno il suo sistema TruSense per alimentare i prossimi indossabili. Altri nomi notevoli nel settore includono Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), e Garmin.
Conclusione
La tecnologia indossabile è un mercato in rapida crescita che sta suscitando grande interesse e sviluppo. Inoltre, le scoperte nella tecnologia termoelettrica, come quelle ottenute dal team QUT, stanno aprendo la strada a un futuro più avanzato in cui questi dispositivi non dipendono più dalle batterie, portando così a indossabili più leggeri ed efficienti.
Ma sebbene tutti questi progressi nei materiali e nel design stiano guidando il mercato globale degli indossabili, rimangono ancora sfide legate a costi, scalabilità e durata. Solo attraverso ulteriori innovazioni, collaborazione continua e maggiori investimenti tutti questi progressi potranno essere messi in pratica e integrati nella nostra vita quotidiana!
