コンピューティング
熱電デバイスのブレークスルーがウェアラブル技術を進化させる
Securities.io を Google の優先ソースに追加
クイーンズランド工科大学（QUT）の研究チームは、柔軟で極めて薄いフィルムを開発し、体熱だけでウェアラブルデバイスに電力を供給し、バッテリーの必要性を排除しました。
この新技術は、スマートフォンやコンピュータの電子チップを冷却するためにも使用でき、効率的な動作と安定性の向上に寄与します。
このブレークスルーは、ゼロエミッション電力生成（ZeroPC）に関するARC研究ハブの創設ディレクターである陳志剛教授によれば、体熱を電力に変換する熱電デバイスの作成における重要な課題に対処しています。このデバイスは、ウェアラブルエレクトロニクスの持続可能なエネルギー源になる可能性があります。
柔軟な熱電デバイスについて語ると、陳教授は次のように説明しました：
「それらは皮膚に快適に装着でき、人間の体と周囲の空気との温度差を効果的に電力に変換します。」
卓越した熱電ウェアラブルデバイスの構築
体熱をエネルギーに変換できるデバイスは、非常に関心が高く研究が進められていますが、現在は高コスト、製造の複雑さ、柔軟性の制限、性能不足という課題に直面しており、量産や普及が阻まれています。
最新の研究で、Science誌に掲載されたところ、QUTチームは柔軟な熱電フィルムを作成するためのコスト効果の高い手法を導入しました。この手法では、ビスマス・テルルド（Bi2Te3）シートの均一な層を形成する微小結晶または「ナノバインダー」を使用し、柔軟性と効率の両方を向上させました。
ビスマステルルド（Bi2Te3）は、研究者がこのようなデバイスを構築する際に広く使用される材料です。灰色の粉末はビスマスとテルルの化合物です。化学的に安定した半導体は、熱を電気に変換する優れた特性を示し、動き、心拍数、温度モニターなどの低電力アプリケーションに最適です。
そこで、QUTチームはA4サイズの印刷可能なフィルムを作成しました。「記録的な高熱電性能、卓越した柔軟性、スケーラビリティ、低コストを備えており、利用可能な最高の柔軟熱電材料の一つです」と陳教授は述べました。
QUTチームの印刷可能なフィルムは、Bi2Te3ベースのナノプレートを高度に配向した結晶として、Teナノロッドを「ナノバインダー」として組み込んでいます。
ここで使用された技術は「溶媒熱合成」であり、高温高圧下で溶媒中にナノ結晶を形成します。この技術は「焼結」と組み合わせられ、フィルムを融点近くまで加熱して粒子を結合させ、さらに「スクリーン印刷」により大規模なフィルム生産を可能にします。
チームが使用したこの方法は、銀セレン化物（Ag2Se）ベースの熱電材料など、他の無機系にも適用可能で、従来の材料よりもコストが低く持続可能である可能性があり、技術の広範な適用性を示しています。
「材料の柔軟性は、我々のアプローチが柔軟な熱電技術の進歩に提供する幅広い可能性を示しています。」
– 本研究の第一著者、Wenyi Chen
研究によると、このデバイスは正規化出力密度が >3 μW cm−2 K−2 を達成し、チームは「スクリーン印刷デバイスの中で最高レベルに位置する」と述べています。
これにより、最新の研究はスマートウォッチや個人用熱管理などのウェアラブルに対する強力なソリューションを提供します。ウェアラブルに電力を供給するだけでなく、これらの熱電デバイスは携帯電話内部のような狭い空間にも応用でき、チップの冷却と性能向上に寄与します。
例えば、デバイス内部に適用した場合、フィルムはチップ温度を最大11.7ケルビン低減でき、電子機器の最適な性能維持に役立ちます。
チームがこの柔軟な電気デバイスの性能を成功裏に向上させれば、将来のスマートフォンに直接電力を供給できるようになると、陳教授は大学のYouTubeチャンネルに掲載された公式ビデオ「ブレークスルーが体熱駆動ウェアラブルデバイスを現実に近づける」で述べました。
デバイスの他の潜在的な応用としては、空調システムや換気があります。QUT研究チームは、熱電デバイスをスマート衣料や自動車部品に使用することも想定しています。
しかし、これはまだ始まりに過ぎません。次のステップでは、チームは技術の性能最適化とスケールアップに注力します。技術を商業化するには、スケールでのコスト効率、耐久性、既存デバイスとの統合という課題を克服する必要があります。
さらなる研究と継続的な開発により、これらのデバイスは消費者向けエレクトロニクスから医療・自動車分野に至るまで、さまざまなセクターでエネルギー効率を革命的に向上させるでしょう。
健康ウェアラブルが予防医療を進める方法についてはこちらをご覧ください。
ウェアラブル技術の進展
今日の技術が高度に発展した世界では、ウェアラブルデバイスは人気が高く、非常に有益なイノベーションとして登場しています。
ウェアラブルは、単に携帯型電子デバイスで、体に装着したり衣服に取り付けたりするよう設計されています。一般的なウェアラブル技術の種類には、スマートウォッチ、スマートグラス、リングやリストバンドなどのスマートジュエリーがあります。これらのデバイスは個人データを追跡、分析、送信します。
ウェアラブルの最も顕著な応用の一つは医療分野です。これらは体温、血圧、心拍数、その他のバイタルサインを監視するために使用できます。さらに、これらのデバイスは高血圧や筋肉疾患といった生理的疾患、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経認知障害にも応用が広がっています。ウェアラブルは薬物送達システムとしても利用され、ヘルスケアのパーソナライズに貢献しています。
現在、さまざまなタイプのウェアラブルデバイスが医療分野で使用されています。これには、e-スキン、ウェアラブルベスト、スマートリング、イヤホン、唾液、涙、尿を利用するバイオフルイディックベースのデバイスなど、皮膚に装着するタイプが含まれます。
医療に加えて、ウェアラブルは他者とのコミュニケーション、決済、活動レベルの追跡、さらにはライフスタイル、ゲーム、スポーツ、フィットネス、セキュリティ、防衛分野でも使用されています。
長年にわたり、ウェアラブル技術はさまざまな面で進化してきました。まず、研究者や企業は常にこれらのデバイスを構築するためのより優れた材料を探求しています。柔軟で伸縮性のある材料や柔らかく超薄型の設計により、デバイスは快適に装着でき、機能性を維持できます。
例えば、導電性と生体適合性が高いガリウムベースの液体金属は、身体により適合するバイオエレクトロニクスの先駆けとなっています。
デザインに関しては、従来の方法から大きく進化し、現在は人間の身体とシームレスに統合することに重点が置かれています。E-タトゥーはその好例で、極めて薄く皮膚に柔らかい電子デバイスで、皮膚に密着し、生理的・心理的情報を非侵襲的にデジタル化できます。
これらのデバイスの小型化と、プリントエレクトロニクスやインテリジェントファブリックの組み合わせにより、さまざまな物理パラメータを監視できるセンサーが実現しました。同時に、電極がテキスタイルに埋め込まれ、活動を測定しています。例えば、ウェアラブル汗センサーは汗を通じて健康指標を継続的かつ非侵襲的に監視し、精密医療を支援します。
ソース: MDPI
多くの進歩がウェアラブルスマート化学センサーでも見られ、医療、環境モニタリング、安全評価への応用が増えています。
さまざまな革新的アプローチがセンサー設計と製造に取り入れられており、その一例として、ポリビニルアルコール/ホウ砂/アガロース/NaNO3電解質と金ナノシート上の多層カーボンナノチューブ電極を組み込んでNO2を検出するシステムがあります。このシステムは性能向上と自己修復機能を示し、ウェアラブル用途に最適です。
ウェアラブル技術の限界を克服する
これらのイノベーションによりウェアラブルデバイスはより優れ、効果的になり、特に医療分野でさまざまな産業を変革しています。しかし、安定性やプライバシーといった制限に直面しています。
例えば、これらのウェアラブルのセンサーから取得されるデータは、常に身体が動くために歪みやノイズが生じることがあります。
ウェアラブルに使用されるバッテリーは別の大きな課題です。電源の制限により、研究者はピエゾ電気ナノジェネレータ（PENG）や自己給電センサーとして機能するもの、トリボ電気ナノジェネレータ（TENG）など、ミニチュア化されたエネルギーハーベスタとしての解決策を模索しています。
熱電発電機は特にウェアラブル技術分野で大きな注目を集めています。2017年、浙江大学と西安電子科技大学の研究者は、論文を発表しました、人間の体エネルギーを収集するウェアラブル熱電発電機の設計に関する論文を発表しました。
最新の研究と同様に、この研究でもBi2Te3ベースの熱電材料を使用し、12 K の温度差で 48 mV の電圧を生成できるデバイスを作成しました。人間の手首の皮膚に装着した際、熱電発電機の出力は、周囲温度 25°C で 130.6 nW となり、人体熱エネルギーの収集とウェアラブル自己給電モバイルデバイスの開発における可能性を示しました。
別の研究では、体熱収集用途向け熱電発電機（TEG）の設計に進展が見られました。問題は、体温と周囲温度の間に10〜15°Cの温度差があるものの、皮膚の熱抵抗によりウェアラブルTEGを通過する熱はごくわずかです。
ウェアラブルTEGの課題を克服するために、包括的な準3次元解析モデルが開発され、さらにマイクロ波処理技術が高性能熱電ナノコンポジットの合成に使用されました。これにより熱伝導率が大幅に低減し、人体上の商用TEGに比べて4〜7倍高い出力密度を示すTEGが実現しました。
今年だけでも、ウェアラブル向け熱電デバイスに焦点を当てた研究がいくつか発表されています。
数か月前、ワシントン大学の研究者は、開発しました、体熱からエネルギーを収集し電気に変換できる高度に柔軟でソフトなプロトタイプを開発し、これにより小型エレクトロニクスに電力を供給できます。柔軟熱電デバイス（TED）に対して、UWチームは3Dソフトアーキテクチャ、剛性半導体、多機能コンポジット、自己修復リキッドメタル導体を使用しました。
エネルギー収集に加えて、これらすべての研究は軽量で柔軟な熱電材料の開発、さまざまな部位に合わせた適応可能な表面設計、ウェアラブルの機能向上、コスト効率とスケーラビリティの実現に焦点を当てています。
急速に成長するウェアラブル市場
ウェアラブル技術の進歩と機能性の向上により、これらのデバイスの採用が増加しています。ウェアラブルデバイスへの関心が高まる中、市場は今十年が終わる前に1500億ドルを超えて成長すると予測されています。
特にスマートウォッチやフィットネストラッカーなどのウェアラブル市場は長らく上昇傾向にあります。パンデミック時には個人の健康が全員の関心事となり、需要が急増しました。これらのデバイスは測定項目も増え、医療機器に近づくにつれ、ますます多くの消費者が採用しています。
フィットネスやヘルスケアに加えて、テック大手は仮想・拡張・複合現実（VR、AR、MR）ウェアラブルにも特別な関心を寄せています。スマート衣料やe-テキスタイルも注目を集めていますが、製造のスケーラビリティや製品経済性の課題に直面し続けています。
興味深いことに、ウェアラブル決済サービス市場は年平均成長率13.6%で1200億ドルに達すると見込まれています。この成長は、スマートフォン、フィットネストラッカー、その他のウェアラブルにおける近距離無線通信（NFC）の採用によって促進されています。
ウェアラブル技術の製品タイプには、電子皮膚パッチ、胸ベルト、スマートコンタクトレンズ、ウェアラブルカメラなども含まれ、関心が高まっています。
最新レポートによると、世界のウェアラブルデバイス出荷量は今年、前年比で6%以上増加し、約5億3800万台に達すると予測されています。この成長は、経済の改善と新興地域でのウェアラブル採用の拡大によって牽引されています。
しかし、この成長はセクター間で不均一であり、ウェアラブルはウェアラブル市場の60%以上を占め、価格が安定することで需要が伸びると予想されています。一方、スマートウォッチは前年比で初めて3%の減少が見込まれますが、来年は4.8%の成長で回復すると予測されています。これは価格上昇とデザイン変更が最小限であるためです。
新興ウェアラブルデバイス
新興ウェアラブルデバイスに関しては、フィットネスとヘルスケア分野が先導しています。
医療分野では、スマートウォッチやパッチ形状のウェアラブル心電図（ECG）デバイスが遠隔心臓ケアを変革しています。これらのデバイスはECGデータを保存するアプリと連携し、医師が遠隔でレビューし、積極的な健康管理を提供できるため、より健康的な生活様式につながります。
現在のウェアラブルは、先進的なセンサーの助けにより、着用者のバイタルサインを継続的に収集し、リアルタイムでデータを提供します。例えば、持続血糖モニタリング（CGM）は血糖値をリアルタイムで把握でき、患者は自宅の快適さから健康を監視できます。
企業の間で心拍数モニターへの関心が高まっています。Casio G‑Shock Rangeman のようなスマートウォッチは、GPS とセンサーを活用して身体の動きや自然環境の変化を正確に検出する心拍数モニターを搭載しています。その後、Garmin の心拍数モニターは、女性がスポーツブラに直接装着できる快適なデザインが特徴です。
ご覧のとおり、ウェアラブルを開発するテック企業にとって、アクセスの容易さが確実に焦点となっています。これは Oura のスマートリングにも当てはまり、指に装着できます。このバンドは、動きを検知する3D加速度計、体温を測定するNTCセンサー、心拍数を追跡するPPGセンサーを備えています。
(GRMN )次に、Evie スマートリングがあります。これは女性を第一に考えたデザインで、睡眠、心臓の健康、月経周期の追跡が可能です。一方、ウェアラブルバイオセンサーは、コルチゾールレベルなどのバイオマーカーの微細な変化を検出することで、ストレス管理の有望な手段を提供します。
企業はトレーニング中に使用者をガイドするヘッドホンも開発しており、GyroGlove のような特殊な手袋はパーキンソン患者の振戦を軽減し、生活の質を向上させるために作られています。
エンターテインメントの分野では、Xreal Air のようなウェアラブルがユーザーにコンテンツ視聴やゲームプレイを可能にし、Meta のスマートグラスはコンテンツの作成と共有を可能にします。そのほか、Ai Pin のようなウェアラブルは、8コア2.1 GHz Qualcomm (QCOM ) プロセッサで動作し、写真撮影、テキストメッセージの送信、通話応答が可能です。
サーマルイヤリングについてはこちらをご覧ください。 (META )
ウェアラブル分野を支配する企業
企業に関して言えば、Apple は Apple Watch などの堅牢なスマート製品ポートフォリオによりこの分野をリードしています。時計がカバーする主要な健康指標には心拍数、呼吸数、手首温度、血中酸素、睡眠時間が含まれます。
AAPL 価格チャート
時価総額3.75兆ドルで世界最大の企業は、現在株価が248ドルで取引され、今年は28.88%上昇しています。Apple の EPS（TTM）は6.07、P/E（TTM）は40.88、配当利回りは0.40%です。2024年9月28日で終了した四半期では、iPhone 16シリーズ、AirPods 4、聴覚健康と睡眠時無呼吸検出機能を備えた Apple Watch Series 10 を発売し、同社は 949億ドルの収益を発表しました。
一方、Google は 2021 年に取得した Fitbit を通じてウェアラブル市場を掌握しています。中国企業の Huawei も今年、次世代ウェアラブルを駆動する TruSense システムを発表しました。この分野の他の注目すべき企業には、Samsung Group、Sony Corporation、Microsoft 、そして Garmin が含まれます。
結論
ウェアラブル技術は急速に成長している市場で、多くの関心と開発が進んでいます。さらに、QUTチームが達成した熱電技術のブレークスルーは、バッテリーに依存しない、より高度な未来への道を切り開き、軽量で効率的なウェアラブルを実現します。
しかし、素材とデザインのすべての進歩が世界のウェアラブル市場を牽引している一方で、コスト、スケーラビリティ、耐久性に関する課題は依然として残っています。さらなるイノベーション、継続的な協力、投資の拡大を通じて、これらすべてのブレークスルーが実用化され、日常生活に統合されるのです！
