Kunnen we binnenkort onze elektronische apparaten van stroom voorzien met draagbare energie‑opwekkers?

Elektronische apparaten flexibel maken

Met smartphones zijn we gewend geraakt om elektronica voortdurend bij ons te dragen. Dit gebeurt echter nog steeds met een logge blok van metaal en plastic, dat, zo niet, elk jaar groter en zwaarder wordt.

De volgende stap zou zijn om elektronische apparaten naadlozer in onze kleding te integreren. Dit is al begonnen met draagbare elektronica zoals smartwatches en andere op gezondheid gerichte wearables.

Een stap verder zou zijn om elektronica direct in onze kleding te integreren. Maar daarvoor moet het zeer flexibel en lichtgewicht zijn. Er is solide vooruitgang geboekt in die richting:

• Buigbare schermen worden nu routinematig geïntegreerd in high‑end smartphones door Samsung en Huawei.
• Buigbare en rekbare batterijen gemaakt van polymeren worden ontwikkeld.
• Microprocessoren kunnen ook gebogen worden.

Dus, als schermen, batterijen en zelfs processoren nu flexibel en buigbaar zijn, wat houdt ons dan nog tegen om wearables in onze kleding te integreren? Het van stroom voorzien blijft een serieuze belemmering.

Maar dit kan veranderen, dankzij een ontdekking van Koreaanse onderzoekers aan het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Hannam University, Yonsei University, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) en Jeonbuk National University.

Zij ontwikkelden een draagbare energie‑opwekker die 280 × efficiënter is dan conventionele apparaten, met behulp van een nieuw type piezo‑elektrische energie‑opwekker.

Het werd gepubliceerd in ACS Nano, onder de titel “Ontwerp van kromte‑specifieke koppelings‑elektrode voor een rekbare driedimensionale anorganische piezo‑elektrische nanogenerator¹”.

Triboelectrische en piezoelektrische apparaten

Energie‑opwekkers zijn systemen die energie genereren uit bewegingen. Er zijn voornamelijk twee typen, gebaseerd op of ze werken volgens het triboelectrische effect of het piezoelektrische effect.

Triboelectrische generatoren zijn wat algemeen elektrostatisch wordt genoemd, of wat gebeurt wanneer twee objecten elkaar aanraken of langs elkaar glijden. Dit kan wat elektriciteit genereren, maar is vaak te zwak om elektronica van stroom te voorzien.

Piezoelektrisch is het effect waarbij elektriciteit wordt opgewekt als reactie op mechanische spanning zoals buigen, knijpen, enz. Tot nu toe zijn de meeste piezoelektrische energie‑opwekkers gemaakt met organische of composiet‑gebaseerde piezoelektrische materialen, die een lage energie‑efficiëntie hebben.

Het team van professor Jang gebruikte een ander type materiaal: lood‑zirkonaat‑titanaat (PZT).

Bron: DGIST

PZT piezoelektrische generator

PZT staat al lange tijd bekend om zijn uitstekende piezoelektrische prestaties, maar het is ook hard en bros. Daarom was het onwaarschijnlijk dat het gebruik in rekbare apparaten en het rekenen op beweging om stroom te genereren, een duurzame generator voor wearables zou opleveren.

Dus onderzochten de onderzoekers hoe ze een PZT‑gebaseerde 3D‑structuur konden ontwerpen die ongevoelig is voor vervorming en rekbaarheid garandeert, terwijl de piezoelektrische capaciteit behouden blijft.

De eerste stap was het creëren van een gebogen elektrode met een convex vorm die stroom produceert wanneer deze wordt uitgerekt.

Bron: ACS Nano

Vervolgens assembleerden ze strengen van deze elektroden in elkaar, vergelijkbaar met het gaas van een stof of een vlechtmand.

Bron: ACS Nano

Problemen gladstrijken

Omdat de elektroden verstrengeld zijn, kunnen ze elkaar gemakkelijk tegenwerken. Om dit te voorkomen, werden de elektroden verdeeld in convex- en concave‑gebieden volgens de richting van de geïnduceerde uitgangsspanning.

De stroom kan worden opgewekt door elke beweging van het lichaam, zoals de onderzoekers testten op de knie, hand of zelfs vingers.

Bron: ACS Nano

Dit resulteerde in een zeer efficiënte piezoelektrische generator, die zowel extreme rekbaarheid als de hoogste stroomdichtheid voor elk apparaat van dit type vertoonde.

Bron: ACS Nano

“Het ontwikkelen van deze zeer efficiënte rekbare piezoelektrische energie‑opwekkende technologie is een belangrijke prestatie van dit onderzoek. We verwachten dat deze technologie nuttig wordt na commercialisatie en zal leiden tot het praktische gebruik van draagbare energie‑opwekkers.”

Prof. Kyung‑In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Toepassingen

Wearables

De meest directe toepassing zou zijn om elektronica die in kleding is geïntegreerd van stroom te voorzien wanneer we bewegen, bijvoorbeeld tijdens het lopen.

Dit zou nuttig kunnen zijn voor draagbare apparaten, vooral gezondheidsmonitoringsapparaten die dan niet afhankelijk zouden zijn van reguliere batterij‑laden.

Medische implantaten

Een specifiek type implantaat zou enorm kunnen profiteren van dit soort generator: hartimplantaten.

Het hart beweegt en trekt constant samen, wat een stabiele energiebron kan bieden voor dergelijke medische implantaten.

De onderzoekers testten het concept door de generator in te kapselen in een polyimidefilm. Dit was nodig om de PZT effectief te isoleren van bio‑vloeistoffen en weefsels, aangezien PZT giftig kan zijn.

Bron: ACS Nano

Militair

Een andere toepassing kan in het leger liggen, waar infanterie steeds meer afhankelijk is van energie‑intensieve sensoren, communicatie, elektronische oorlogsvoering, enz.

Het is nauwelijks praktisch om van gevechtsunits te verwachten dat ze een wirwar van kabels en batterijen moeten beheren. Tegelijkertijd moeten ze al hun wapen, munitie, telecomoplossing, enz. hanteren. Een piezoelektrische generator die direct is aangesloten op flexibele elektronica in het uniform van de soldaat zou een goed alternatief kunnen zijn.

Investeren in wearables

Wearable technology is expected to grow by 14,6 % CAGR tot 2030, van $61,2 mrd in 2022.

Bron: Grand View Research

U kunt investeren in bedrijven gerelateerd aan wearables via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals de iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) of de SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de groeiende wearables‑ en medische‑apparatenindustrie.

U kunt ook ons artikel \”Top 6 Medical Devices Stocks\” raadplegen.

Wearables bedrijf

Wearables bouwen

Een manier om flexibele elektronica te bouwen is door polymeren te gebruiken. Een andere manier is om een zeer flexibel en niet‑giftig metaal, gallium, te gebruiken, wat we bespraken in een speciaal investeringsrapport.

Zonne‑energie, naast het piezoelektrische effect, zou ook flexibele wearables kunnen opladen. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van perovskietzonnecellen of ultra‑dunne organische fotovoltaïsche technologie.

Philips is een bekend consumentenmerk voor kleine elektronica (scheerapparaten, elektrische tandenborstels) en is even actief in de gezondheidszorg. Het was in 2022 de nummer 1 voor MedTech‑octrooiaanvragen in Europa.

Het is actief in verbonden medische producten, van wearables tot beeldvorming, respirators of medische robots. Het bedrijf is ook actief in halfgeleiders (inclusief maglev‑technologie) en high‑tech/robotica/automatisering.

Bron: Philips

De wearables van Philips bieden metingen van hart, ademhaling en activiteit. De sensoren kunnen worden geïntegreerd in smartwatches, gezondheidsmonitoren, medische pleisters en activiteits trackers.

Wat wearables betreft, Philips geeft de voorkeur aan een partnerschapsoplossing, waarbij het voor derden “hun” verbonden IoT‑medische apparaten ontwikkelt die volledig compatibel zijn met de rest van de Philips‑oplossingen. In die context biedt het zijn klanten prototyping, regelgevende advisering, end‑to‑end productontwikkeling en productie op industriële schaal.

Dit maakt Philips een technologie‑gericht bedrijf en een waarschijnlijke kandidaat om innovaties zoals flexibele piezoelektrische generatoren snel in bestaande medische apparaten te integreren.

In 2023 hadden de apparaten van Philips direct invloed op 1,82 miljard mensen.

Het bedrijf wil een volledig geïntegreerde digitale zorgomgeving creëren, waarin sensoren op apparaten aansluiten, en vervolgens meerdere connectiviteitsoplossingen gebruiken om te integreren in de Philips HealthSuite Cloud‑oplossing en diepgaande data‑analyse mogelijk te maken.

Bron: Philips

Als leverancier in de MedTech‑industrie is Philips niet zo zichtbaar in de sector als andere meer prominente bedrijven. Het is echter een expert in het bouwen van high‑performance elektronische apparaten en sensoren, en duwt vaak de grenzen van wat mogelijk is in zijn niche binnen de gezondheidszorg en wearables.

Naarmate wearables steeds meer geïntegreerd worden in de gezondheidszorg en medische protocollen, zal het Healthcare‑segment van Philips waarschijnlijk groeien als onderdeel van het concern.

Studieverwijzing:

^{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). Ontwerp van kromte‑specifieke koppelings‑elektrode voor een rekbare driedimensionale anorganische piezo‑elektrische nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}