ハプティックエネルギーハーベスターで自分自身をバッテリーバンクに

ハプティックエネルギーまたはハプティックフィードバックという用語をご存知でしょう。この用語はウェアラブル技術が盛んになる現在、頻繁に使用されています。2024年には、膨大な量の 5億3400万台のウェアラブルユニットが出荷されました 世界中に。

これらのユニットには、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、ヘッドホン、拡張現実デバイス、すなわち、VRヘッドセットと拡張現実グラスが含まれています。ウェアラブルエレクトロニクスの登場により、ハプティックエネルギーというパラダイムが生まれました。

過去40年間、エレクトロニクスの主なコミュニケーション手段は音声または視覚フィードバックであり、コミュニケーションの主要な言語は音と光でした。しかし現在、ハプティックフィードバックは、触覚を通じてエレクトロニクスが人間とやり取りする別の方法となっています。

スマートフォン、スマートウォッチ、フィットネストラッカー――これらすべての携帯型バッテリー駆動システムはハプティクスを利用できます。ハプティックは、消費者向け、産業用、車載用など、スマートフォン、タブレット、マウス、ATM、車載インフォテインメントシステムなど、さまざまな分野で確固たる位置を占めています。

現在、研究チームはウェアラブルへのハプティックエネルギー¹を成功裏に適用しました。研究の目的とその達成可能性の重要性について語る中で、NC State の共同通信著者であり INVISTA の化学・生体分子工学教授である Saad Khan は次のように述べました：

「そこで、私たちはアンフィフィルを用いて材料を改質し、ハプティックエネルギーハーベスターに組み込めるかどうかを探る一連の実験を開始しました。」

研究とその成果について詳しく知るために、次のセグメントでさらに掘り下げます。

調整可能なハプティックエネルギーハーベスターのための滑りやすい表面組み立てアンフィフィルの圧縮

出典: NC State University

研究者は、環境中の動きからエネルギーを抽出する際に繰り返し直面する課題として、デバイスが動的圧縮を受ける際にも高い収集効率と快適なユーザー体験を維持しなければならないことに気付きました。研究者は、小さなアンフィフィルが摩擦、ハプティクス、帯電特性を材料表面に特定の配向で組み立てることで調整できることを示しました。アンフィフィルは、人体の皮膚に対する摩擦を低減するために消費財で頻繁に使用される分子です。たとえば、これらの分子はおむつに組み込まれ、擦れを防止します。

研究の動機と目的について語る中で、ノースカロライナ州立大学の化学・生体分子工学准教授であり本研究の共同著者である Lilian Hsiao は次のように述べました：

「異なるアンフィフィルがさまざまな材料の表面摩擦に与える影響を詳細に理解するモデルを開発することを目指しました。」

研究者は、圧力下で複数のすべり面を形成する分子、特にπ-πスタッキングを通じて形成されるものが、無秩序なメゾ構造を形成するものに比べて80〜90％低い摩擦を示すことを確認しました。その結果、研究者は接着と接触力学を考慮した摩擦低減特性のスケーリングフレームワークを提案しました。

目的を達成する過程で、アンフィフィルでコーティングされた表面は摩耗に強く、独特の触覚知覚を生み出し、人間はより滑りやすい材料を好むことが判明しました。さらに、電子親和性の高いアンフィフィルを使用することで、帯電出力も向上させることができました。

総じて、圧力下で自己組織化して滑り面を形成できる分子は、ハプティックパワーハーベスターを大規模に開発するための手軽な手段を提供します。実用的に言えば、研究者はアンフィフィルを用いて皮膚に心地よく触れる滑りやすい表面を持つウェアラブル繊維を作製できることを発見しました。

さらに、研究者は一部のアンフィフィルが固有の電子特性により電子供与体として機能できることを発見しました。これらの電子供与アンフィフィルをウェアラブル材料に組み込むと、皮膚や他の表面との摩擦によって電気を生成できる快適な素材が得られました。

要約すると、Hsiao が強調したように、概念実証テストにおいて、研究者はこれらのアンフィフィル材料が皮膚に心地よいだけでなく、最大300ボルトを生成できることを確認しました。

Saad Khan のコメント：

「これらの材料をさらに活用したいと考えており、既存のハプティックデバイスへの組み込み方法を探求しています。また、産業パートナーと協力して新たな応用を見つけることにも前向きです。」

研究と産業採用は手を取り合う必要がありますが、すでに身体からエネルギーを収集してウェアラブル技術を駆動する製品の研究に深く取り組んでいる企業がいくつかあります。以下のセグメントでは、今回議論した研究から恩恵を受ける可能性のある先駆的企業をいくつか取り上げます。

1. Medtronic PLC (MDT )

ウェアラブル技術に幅広く取り組んできた企業の一つが Medtronic です。この大手上場医療テック企業は、ハプティックエネルギーハーベスターを活用できる最も有力な企業の一つと考えられます。

Medtronic の最も重要な製品の一つは BioButton で、マルチパラメータの医療グレードウェアラブルデバイスとして、インテリジェントな患者モニタリングを実現します。主要なバイタルサインとバイオメトリクスのトレンドデータを提供し、患者の状態悪化の早期指標となります。

患者の状態悪化の主要指標を継続的にモニタリングするよう設計されており、安静時呼吸数、安静時心拍数、皮膚温度、その他のバイオメトリクスを測定できます。このウェアラブルにより、研究者はトレンドデータを活用して臨床医が介入が必要な患者や退院可能な患者を特定できるようになりました。

2022年、Medtronic は継続的健康モニタリングと臨床インテリジェンスを提供する企業 BioIntelliSense と戦略的パートナーシップを締結し、米国の病院および入院後30日間の在宅配布権を独占的に取得しました。

パートナーシップ発表時、Medtronic の医療外科ポートフォリオに属する患者モニタリング事業部長である Frank Chan 博士は次のように述べました：

「私たちのビジョンは、臨床医と患者に実用的な洞察を提供し、いつでもどこでもパーソナライズされたケアを実現することです。BioIntelliSense との協業により、院内から自宅までの継続的かつ接続されたケアを支援し、より多くの患者に、これまで以上に多くの場所で支援を拡大します。」

世界で最も重要な医療テック企業の一つである Medtronic は、今回議論した研究から最も恩恵を受ける立場にあると考えられます。2024年5月、Medtronic は財務結果を発表し、2024年度第4四半期の売上高は86億ドルで、報告ベースで0.5％、有機的に5.4％増加しました。通期売上高は324億ドルで、報告ベースで3.6％、有機的に5.2％増加しました。

2. Philips

Medtronic と同様に、ウェアラブル技術の開発に多大な研究開発投資を行っているもう一つのテック大手が Philips です。Philips の患者装着型モニタリングソリューションは、患者がケアユニットや病院内を自由に移動できるようにします。

快適さを重視した Philips の患者装着型デバイスは、無線技術を用いてデータやアラームを中央看護エリア、遠隔観測エリア、または介護者のモバイルデバイスへ送信します。デバイスは一般的および中等度ケア患者の臨床ニーズに対応する測定機能を備えています。

製品名はIntellivue MX40です。ユーザーは使い捨て AA 電池または Philips の充電式バッテリー1個で操作できます。デバイスは 12 リード ECG の派生情報取得や、ST・QT の連続モニタリング、FAST SpO2、インピーダンス呼吸測定をサポートします。最大5つの画面フォーマットにより、必要な情報がワンタッチで取得できます。

デバイスは IntelliVue モニタと短距離無線接続でき、バイタルサインの取得や包括的な表示が可能です。また、土壌や液体の付着を抑える独自のケーブルコネクタと、高レベル消毒剤や定期的な滅菌に耐えるケース設計が特徴です。

最新の公表情報によると、2023年にPhilips は売上高 182億ユーロを記録し、比較売上高は6％増、調整後 EBITA マージンは10.6％でした。

Medtronic や Philips といった大手テック企業がハプティックエネルギーハーベスターから大きな恩恵を受ける製品を開発している一方で、同様の方向で研究を進めている他の研究機関も多数あります。

今後のセグメントでは、同分野で革命的な応用可能性を持ついくつかの研究を取り上げます。

体熱からエネルギーを収集し電気に変換する電子プロトタイプ

2024年9月、ワシントン大学の研究者が、体熱からエネルギーを収集し、電池やセンサー、LED などの小型電子機器に電力を供給できる柔軟で耐久性のある電子プロトタイプを開発したと報告されました。このデバイスは、数回穿刺されても、最大2000回の伸縮に耐えて使用可能です。

上級著者であるMohammad Malakooti（ワシントン大学機械工学助教授）は次のように述べています：

「このデバイスを皮膚に装着すると、体熱を直接利用して LED を点灯させます。装着した瞬間に LED が点灯します。これは以前は不可能でした。」

機能的に説明すると、デバイスは主に3層から構成されています。中心層には熱を電気に変換する硬質熱電半導体が配置されており、これらの半導体は低熱伝導率の 3D プリント複合材料に囲まれ、エネルギー変換効率を高め、デバイスの重量を軽減しています。

さらに、伸縮性、導電性、自己修復性を提供するために、半導体は印刷された液体金属トレースで接続されています。外層に埋め込まれた液体金属滴は、半導体への熱伝導を改善し、金属が常温で液体のままであるため柔軟性も維持します。

技術の利点と大きな目的について語る中で、Mohammad Malakooti は次のように述べました：

「これは特にデータセンターで有用です。サーバーやコンピューティング機器は大量の電力を消費し、熱を発生させます。その熱を回収して温度・湿度センサーの電源に再利用できるのです。」

さらに付け加えました：

「このアプローチは、条件を監視しながら全体的なエネルギー消費を削減するスタンドアロンシステムを実現するため、より持続可能です。バッテリー交換や配線追加のメンテナンスも不要です。」

将来的には、この技術がバーチャルリアリティシステムやその他のウェアラブルアクセサリで皮膚に熱・冷感を与え、快適性を向上させる応用が期待されています。

2021年10月、コロラド大学ボルダー校の研究者も同様のブレークスルーを達成しており、次のセグメントでその研究を取り上げます。

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身体をバッテリーに変えるウェアラブルデバイス

Researchers at CU Boulder は、人体を生体バッテリーに変える新しい低コストのウェアラブルデバイスを開発しました。

このデバイスの最も魅力的な特徴は、リングやブレスレット、その他皮膚に触れるアクセサリとして着用できるほど伸縮性があることです。人体の自然な熱を利用し、熱電発電素子で体内温度を電力に変換します。

デバイスは、皮膚1平方センチメートルあたり約1ボルトのエネルギーを生成します。これは既存の多くのバッテリーより電圧は低いものの、時計やフィットネストラッカーなどの電子機器を駆動するには十分です。

研究者は伸縮性ポリイミンを基材とし、そこに薄い熱電チップを多数貼り付け、液体金属ワイヤで全て接続しました。最終製品はプラスチック製ブレスレットとミニチュアコンピュータマザーボード、あるいはテクノロジー感のあるダイヤモンドリングの中間的な外観です。

このソリューションは、発電ブロックを追加することで出力を増幅できる柔軟性があります。研究者の一人はこの解決策をレゴブロックに例えて次のように述べました：

「小さなレゴピースを組み合わせて大きな構造を作るようなものです。多くのカスタマイズオプションが得られます。」

次世代ウェアラブルを駆動する超薄型・柔軟フィルム

最近の研究では、クイーンズランド工科大学（Queensland University of Technology）のチームが、体熱を利用してバッテリー不要で次世代ウェアラブルデバイスを駆動できる超薄型・柔軟フィルムを開発しました。

さらに、この技術は電子チップを冷却でき、スマートフォンやコンピュータの効率的な動作を支援します。

この研究はProfessor Zhi-Gang Chen によって、権威あるジャーナル Science に掲載されました：

「柔軟な熱電デバイスは、人体と周囲の空気との温度差を電力に変換し、皮膚に快適に装着できます。」

この技術の潜在的な応用について語る中で、Chen 教授はコンピュータや携帯電話内部など狭い空間に組み込むことでチップ冷却と性能向上に寄与できると強調しました。

他の応用例としては、個人用熱管理が挙げられ、体熱でウェアラブルな暖房・換気・空調システムを駆動できます。研究者は同様のイノベーションに共通する課題として、柔軟性の制限、製造の複雑さ、高コスト、性能不足を指摘しました。

しかし、本研究はコスト管理に関するいくつかの解決策を提示しています。従来は高性能なビスマス・テルルイド系熱電材料が主流でしたが、チームは「ナノバインダー」と呼ばれる微小結晶を用いてビスマス・テルルイドシートの均一層を形成し、効率と柔軟性を同時に向上させる低コスト技術を導入しました。

具体的には、チームは「溶媒熱合成」という手法で高温・高圧下で溶媒中にナノ結晶を生成し、これを「スクリーン印刷」および「焼結」と組み合わせました。

研究者は、記録的な熱電性能、卓越した柔軟性、スケーラビリティ、低コストを備えた A4 サイズの印刷可能フィルムを作製しました。スクリーン印刷は大規模生産を可能にし、焼結はフィルムを融点近くまで加熱して粒子を結合させます。

このソリューションは、銀セレナイド系熱電材料など、従来材料よりも安価で持続可能な他のシステムにも適用可能です。

まとめの言葉

エネルギー管理の成功は、技術ソリューションの成否を分ける最も重要な閾値として進化してきました。体熱を利用してウェアラブル技術に電力を供給するエネルギーハーベスティング技術は、外部エネルギーや電源を必要とせずに効率を確保できる最も有望なアプローチです。これらのソリューションは持続可能であり、採用が拡大すれば、商業規模での量産化が進み、コスト削減と供給拡大が実現するのは時間の問題です。

研究参考文献：

^{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}