コンピューティング
ウェアラブルエネルギーハーベスターで私たちの電子機器にすぐに電力を供給できるでしょうか？
電子機器を柔軟にする
スマートフォンのおかげで、私たちは常に電子機器を持ち歩くことに慣れています。しかし、これは依然として金属とプラスチックのかさばるブロックで行われており、むしろ年々大きく重くなっています。
次のステップは、電子機器を衣服によりシームレスに組み込むことです。これはすでにスマートウォッチやその他の健康志向ウェアラブルなどのウェアラブル電子機器で始まっています。
さらに一歩進めば、電子機器を直接衣服に統合することです。しかし、そのためには非常に柔軟で軽量である必要があります。その方向で確かな進展が見られます：
- 曲げられるディスプレイは、現在サムスンやファーウェイのハイエンドスマートフォンに日常的に統合されています。
- ポリマー製の曲げ可能で伸縮性のあるバッテリーが開発されています。
- マイクロプロセッサも曲げることができます。
したがって、ディスプレイやバッテリー、さらにはプロセッサさえも現在柔軟で曲げられるようになったのに、衣服に統合されたウェアラブルを実現する上で何がまだ障壁となっているのでしょうか？それらすべてに電力を供給することが依然として深刻な課題です。
しかし、これは変わる可能性があります。大邱慶北科学技術院（DGIST）、漢南大学、延世大学、韓国科学技術院（KAIST）、韓国産業技術院（KITECH）および全北国立大学の韓国研究者たちの発見によるものです。
彼らは新しいタイプの圧電エネルギーハーベスターを用いて、従来のデバイスの280倍の効率を持つウェアラブルエネルギーハーベスターを開発しました。
この研究はACS Nanoに掲載され、タイトルは「伸縮性三次元無機圧電ナノジェネレーターのための曲率特異的結合電極設計」です。
トリボエレクトリックと圧電デバイス
エネルギーハーベスターは動きからエネルギーを生成するシステムです。主に、トリボエレクトリック効果または圧電効果のいずれかで動作する2種類があります。
トリボエレクトリック発電機は、一般に静電気と呼ばれ、2つの物体が接触またはすべり合うときに起こる現象です。これは電気を生成できますが、電子機器に電力を供給するにはしばしば弱すぎます。
圧電は、曲げや圧縮などの機械的応力に応答して電気を生成する効果です。これまで、ほとんどの圧電エネルギーハーベスターは有機または複合材料ベースの圧電材料で作られており、エネルギー効率が低いです。
Jang教授のチームは別の材料、すなわちジルコニウムチタン酸鉛（PZT）を使用していました。
出典: DGIST
PZT 圧電ジェネレーター
PZTは長らく優れた圧電性能を持つことが知られていますが、同時に硬く脆いです。そのため、伸縮性デバイスに使用し、動きで電力を生成することは、ウェアラブル向けの耐久性のあるジェネレーターを作るには難しいと考えられていました。
そこで、研究者たちは変形に対して不感で、圧電性能を保ちつつ伸縮性を保証するPZTベースの3D構造の設計方法を検討しました。
最初のステップは、伸ばすと電力を生成する凸形状の曲面電極を作ることでした。
出典: ACS Nano
次に、これらの電極を糸状に組み合わせ、布のメッシュや柳かごのように互いに組み合わせました。
出典: ACS Nano
問題の解決
電極が交差しているため、相互に打ち消し合う可能性があります。これを防ぐために、電極は誘導される出力電圧の方向に応じて凸部と凹部に分割されました。
研究者は膝、手、さらには指の動きでも電流が生成できることをテストしました。
出典: ACS Nano
これにより、非常に高い伸縮性とこの種のデバイスで最高の電流密度を兼ね備えた、非常に効率的な圧電ジェネレーターが実現しました。
出典: ACS Nano
“この高度に効率的な伸縮性圧電エネルギーハーベスタ技術の開発は、本研究の大きな成果です。商業化後に実用化され、ウェアラブルエネルギーハーベスターの実用的な利用につながると期待しています。”
Pr. Kyung-In Jang – DGIST ロボティクス・メカトロニクス工学部
応用
ウェアラブル
最も直接的な応用は、歩行時などの動きに合わせて衣服に統合された電子機器に電力を供給することです。
これは、特に定期的なバッテリー充電に依存しない健康モニタリングデバイスなどのウェアラブルデバイスに有用です。
医療用インプラント
この種のジェネレーターから大きな恩恵を受ける可能性がある特定のインプラントは、心臓インプラントです。
心臓は常に動き収縮しており、これが医療インプラントに安定したエネルギー源を提供できます。
研究者は、ジェネレーターをポリイミドフィルムで封止することで概念を検証しました。これは、PZTが生体液や組織に対して有毒になる可能性があるため、効果的に隔離するために必要でした。
出典: ACS Nano
軍事
別の応用として、軍事分野があります。歩兵は電力を大量に消費するセンサー、通信、電子戦などにますます依存しています。
戦闘部隊がケーブルやバッテリーの絡み合いを扱うことは実用的ではありません。同時に、彼らはすでに武器、弾薬、通信装置などを扱っています。兵士の制服に直接接続された柔軟な電子機器に圧電ジェネレーターを組み込むことは、良い代替手段となり得ます。
ウェアラブルへの投資
ウェアラブル技術は2022年の612億ドルから2030年まで年平均成長率14.6%で成長すると予測されています。
多くのブローカーを通じてウェアラブル関連企業に投資できます。また、こちらsecurities.ioで、米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国のベストブローカーに関する推奨リストをご覧いただけます。
特定の企業を選びたくない場合は、iShares米国医療機器ETF（IHI）やSPDR S&Pヘルスケア機器ETF（XHE）などのETFを検討できます。これらは、成長するウェアラブルおよび医療機器産業への多様なエクスポージャーを提供します。
また、当社の記事「トップ6医療機器株」もご参照ください。
ウェアラブル企業
ウェアラブルの構築
柔軟な電子機器を構築する方法の一つはポリマーを使用することです。もう一つは、非常に柔軟で無毒な金属であるガリウムを使用する方法で、専用の投資レポートで取り上げました。
太陽エネルギーは圧電効果に加えて、柔軟なウェアラブルを充電することも可能です。これは、ペロブスカイト太陽電池または超薄型有機光電池技術を使用することで実現できます。
Koninklijke Philips N.V.
(PHG )
Philipsはシェーバーや電動歯ブラシなどの小型家電で知られる消費者ブランドで、ヘルスケア分野でも同様に活躍しています。2022年の欧州におけるMedTech特許出願数で第1位でした。
同社はウェアラブルから画像診断、呼吸器、医療ロボットに至るまで、コネクテッド医療製品に携わっています。また、半導体（磁気浮上技術を含む）やハイテク/ロボティクス/オートメーション分野でも活動しています。
出典: Philips
Philipsのウェアラブルは心拍、呼吸、活動指標をカバーします。そのセンサーはスマートウォッチ、健康モニター、医療パッチ、アクティビティトラッカーに統合可能です。
ウェアラブルに関して、Philipsはパートナーシップ型のソリューションを好み、サードパーティ向けに「自社」のコネクテッドIoT医療デバイスを開発し、Philipsの他のソリューションと完全に互換性を持たせます。その際、プロトタイピング、規制アドバイス、エンドツーエンドの製品開発、産業規模の生産を顧客に提供しています。
これにより、Philipsは技術志向の企業となり、柔軟な圧電ジェネレーターなどのイノベーションを既存の医療機器に迅速に統合できる有力な候補となります。
2023年、Philipsのデバイスは直接的に18億2000万人に影響を与えました。
同社は、センサーがデバイスと連携し、複数の接続ソリューションを用いてPhilips HealthSuite Cloudに統合し、詳細なデータ分析を可能にする、完全に統合されたデジタルヘルスケア環境の構築を目指しています。
出典: Philips
MedTech業界のサプライヤーとして、Philipsは他の大手企業ほど業界で目立ってはいませんが、高性能電子デバイスとセンサーの構築に長けており、ヘルスケアとウェアラブルのニッチ領域で可能性の限界をしばしば押し広げています。
ウェアラブルがヘルスケアや医療プロトコルにますます統合されるにつれ、Philipsのヘルスケア部門はグループの一部として成長する可能性が高いです。
研究参考文献：
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
