Haptische energie‑omzetters laten je je eigen batterijbank zijn

Je moet de termen Haptische Energie of Haptische Feedback wel hebben gehoord. De term wordt veel gebruikt in deze tijd van draagbare technologie. In 2024, een enorm volume van 534 miljoen draagbare apparaten werden verzonden wereldwijd.

Deze apparaten omvatten een breed scala aan elektronische apparaten, zoals smartwatches, fitness trackers, koptelefoons, extended reality‑apparaten, dat wil zeggen VR‑headsets en augmented reality‑brillen. Met de opkomst van draagbare elektronica is een paradigma van haptische energie ontstaan.

In de afgelopen vier decennia was de belangrijkste communicatiemethode in elektronica hoorbare of visuele feedback, waarbij de hoofdtaal van communicatie geluid en licht was. Maar tegenwoordig is haptische feedback een andere manier geworden waarop elektronica met mensen communiceert, via hun tastzin.

Smartphones, smartwatches, fitness trackers – al deze draagbare, op batterijen werkende systemen kunnen haptiek gebruiken. Als toepassing heeft het een goed gevestigde plaats in consumenten-, industriële en automotive‑toepassingen, zoals smartphones, tablets, muizen, geldautomaten en infotainmentsystemen in auto’s.

Nu heeft een onderzoeksteam haptische energie op draagbare apparaten¹ succesvol toegepast. Terwijl hij sprak over het doel van hun onderzoek en het belang van wat het zou kunnen bereiken, zei Saad Khan, co‑corresponderend auteur en INVISTA‑professor in Chemische en Biomoleculaire Technologie aan NC State, het volgende:

“We begonnen vervolgens een reeks experimenten om te onderzoeken of we amphifielen konden gebruiken om materialen te modificeren en ze in haptische energie‑omzetters te integreren.”

Om meer te weten te komen over het onderzoek en de resultaten, gaan we er in het volgende segment dieper op in.

Samendrukken van glibbe oppervlak‑samengestelde amphifielen voor afstelbare haptische energie‑omzetters

Source: NC State University

De onderzoekers realiseerden zich dat een terugkerende uitdaging bij het winnen van energie uit omgevingsbeweging was dat apparaten een hoge oogst‑efficiëntie en een positieve gebruikerservaring moeten behouden wanneer hun interface dynamische compressie ondergaat. De onderzoekers toonden aan dat kleine amphifielen konden worden gebruikt om wrijving, haptiek en tribo‑elektrische eigenschappen af te stemmen door ze in specifieke conformaties op het oppervlak van materialen te assembleren. Amphifielen zijn moleculen die vaak in consumentenproducten worden gebruikt om wrijving tegen de menselijke huid te verminderen. Bijvoorbeeld, deze moleculen worden vaak in luiers verwerkt om schuren te voorkomen.

Terwijl ze sprak over de zoektocht en motivaties die het aandreven, zei Lilian Hsiao, corresponderende auteur van een paper over het werk en associate professor in chemische en biomoleculaire technologie aan de North Carolina State University, het volgende:

“We wilden een model ontwikkelen dat ons een gedetailleerd fundamenteel inzicht zou geven in hoe verschillende amphifielen de oppervlaktwrijving van verschillende materialen beïnvloeden.”

Onderzoekers zagen dat moleculen die onder druk meerdere slipvlakken vormen, vooral via π‑π‑stacking, 80 tot 90 % minder wrijving produceren dan die welke wanordelijke mesostructuren vormen. Als gevolg hiervan stelden de onderzoekers een schaalframework voor hun wrijvingsreductie‑eigenschappen voor, dat rekening houdt met adhesie en contactmechanica.

Bij het bereiken van hun doel realiseerden de onderzoekers dat met amphifiel‑gcoate oppervlakken de slijtage bestonden en een duidelijk tactiel gevoel genereerden, waarbij mensen de voorkeur gaven aan gladdere materialen. Op een ander niveau konden de onderzoekers ook de tribo‑elektrische output verbeteren door gebruik te maken van amphifielen met een hoge elektronenaffiniteit.

Al met al vormen moleculen die onder druk zichzelf kunnen organiseren tot glibbe vlakken een eenvoudige manier om de ontwikkeling van haptische energie‑omzetters op schaal te bevorderen. Om in praktischere termen uit te leggen, ontdekten de onderzoekers dat het mogelijk was amphifielen te gebruiken om draagbare stoffen met glibbe oppervlakken te creëren die prettig aanvoelen op de menselijke huid.

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat sommige amphifielen, vanwege hun inherente elektronische eigenschappen, konden fungeren als elektrondonoren. Deze elektrondonerende amphifielen, wanneer ze in draagbare materialen werden geïntegreerd, resulteerden in een comfortabel materiaal dat elektriciteit kan genereren via wrijving die ontstaat bij het wrijven tegen de menselijke huid of andere oppervlakken.

Samengevat, zoals Hsiao benadrukte, vonden de onderzoekers in hun proof‑of‑concept‑testen dat deze amphifiel‑materialen niet alleen prettig aanvoelden op de huid, maar tot 300 volt konden genereren, wat opmerkelijk is voor een klein stukje materiaal.

Volgens Saad Khan:

“We zijn geïnteresseerd om meer te doen met het gebruik van deze materialen, zoals het verkennen van hoe ze kunnen worden geïntegreerd in bestaande haptische apparaten. En we staan open voor samenwerking met industriële partners om nieuwe toepassingen te identificeren.”

Hoewel onderzoek en industriële adoptie hand in hand moeten gaan, zijn er verschillende bedrijven die al diep bezig zijn met het onderzoeken van producten die energie uit het lichaam kunnen oogsten om draagbare technologische apparaten aan te drijven. In de volgende segmenten bespreken we een paar van zulke pionierende bedrijven die kunnen profiteren van onderzoek zoals het besproken onderzoek.

1. Medtronic PLC

Een van de bedrijven die uitgebreid met draagbare technologie heeft gewerkt, is Medtronic. Deze grote, beursgenoteerde med‑tech gigant is wellicht een van de best gepositioneerde om haptische energie‑omzetters te benutten.

Een van Medtronic’s belangrijkste producten is de BioButton, een multi‑parameter, medisch‑grade draagbaar apparaat ontworpen voor intelligente patiëntmonitoring. Het levert trendgegevens over belangrijke vitale tekenen en biometrie, en fungeert als een vroegtijdige indicator van patiëntverslechtering.

Ontworpen voor continue monitoring van de belangrijkste indicatoren van patiëntverslechtering, kan de monitor de rustademhalingsfrequentie, rusthartslag, huidtemperatuur en een reeks biometrische gegevens meten. Het draagbare apparaat maakte het mogelijk voor onderzoekers om trendgegevens te verkennen om clinici te helpen patiënten te identificeren die klinische interventie nodig hebben en degenen die klaar zijn voor ontslag.

In 2022 ging Medtronic een strategisch partnerschap aan met BioIntelliSense, een bedrijf voor continue gezondheidsmonitoring en klinische intelligentie, voor de exclusieve Amerikaanse ziekenhuis‑ en 30‑dagen post‑acute ziekenhuis‑naar‑thuis distributierechten van de BioButton.

Tijdens de aankondiging van het partnerschap zei Frank Chan, Ph.D., president van de Patient Monitoring‑divisie, die deel uitmaakte van de Medical Surgical Portfolio bij Medtronic, het volgende:

“Onze visie is om clinici en patiënten te voorzien van bruikbare inzichten om zorg te personaliseren — overal en altijd. Door onze samenwerking met BioIntelliSense zullen we continue, verbonden zorg ondersteunen van ziekenhuis tot thuis en ons bereik uitbreiden om meer patiënten op meer plaatsen dan ooit tevoren te helpen.”

Als een van de belangrijkste med‑tech bedrijven ter wereld is Medtronic wellicht het best gepositioneerd om te profiteren van onderzoek zoals we hebben besproken. In mei 2024 kondigde Medtronic de financiële resultaten aan voor het vierde kwartaal en het fiscale jaar 2024. Het bedrijf rapporteerde een Q4‑omzet van $8,6 miljard, een stijging van 0,5 % volgens de gerapporteerde cijfers en 5,4 % organisch. Het bedrijf rapporteerde een FY 24‑omzet van $32,4 miljard, een stijging van 3,6 % volgens de gerapporteerde cijfers en 5,2 % organisch.

2. Philips

Net als Medtronic is een andere technologische gigant die veel R&D-inspanningen heeft gestoken in de ontwikkeling van geavanceerde draagbare technologie Philips. De door de patiënt gedragen monitoringsoplossingen van Philips geven patiënten de vrijheid om zich te verplaatsen binnen de zorgafdeling of het ziekenhuis.

Ontworpen voor comfort, gebruiken de door de patiënt gedragen apparaten van Philips draadloze technologie om gegevens en alarmen te verzenden naar waar ze nodig zijn, zoals een centraal verpleegkundig gebied, een remote observatiegebied of het mobiele apparaat van een verzorger. De apparaten beschikken over een reeks meetmogelijkheden om te voldoen aan de klinische behoeften van algemene en intermediaire zorgpatiënten.

De merknaam van het product is Intellivue MX40. Gebruikers kunnen de IntelliVue MX40 bedienen met wegwerpbatterijen AA of een enkele oplaadbare Philips‑batterij. Het apparaat ondersteunt het verkrijgen van afgeleide 12‑lead ECG‑informatie terwijl het continu ST‑ en QT‑waarden, FAST SpO2 en impedantie‑ademhaling monitort. Met tot 5 schermformaten is de benodigde informatie direct beschikbaar met één aanraking.

Het apparaat beschikt over een draadloze kortereikingsverbinding met IntelliVue‑monitoren om vitale tekenen vast te leggen of voor een meer uitgebreide weergave. Het apparaat heeft een unieke kabelconnector ontworpen om ophoping van vuil en vloeistoffen te verminderen en een behuizing die bestand is tegen hooggradige desinfectiemiddelen, inclusief periodieke sterilisatie.

Volgens de meest recente beschikbare informatie registreerde Philips in 2023 een omzet van 18,2 miljard euro met een vergelijkbare omzetgroei van 6 % en een aangepaste EBITA‑marge van 10,6 %.

Hoewel grote technologiebedrijven zoals Medtronic en Philips producten ontwikkelen die aanzienlijk kunnen profiteren van haptische energie‑omzetters, werken verschillende andere onderzoeksorganisaties langs dezelfde lijnen.

In de komende segmenten bespreken we enkele van deze onderzoeksstudies die het potentieel hebben om toepassingen in dit veld te revolutioneren.

Elektronisch prototype dat energie uit lichaamswarmte oogst en omzet in elektriciteit

In september 2024 verschenen er rapporten van onderzoekers van de University of Washington die een flexibel, duurzaam elektronisch prototype ontwikkelden dat in staat is energie uit lichaamswarmte te oogsten en om te zetten in elektriciteit om kleine elektronica, zoals batterijen, sensoren of LED’s, van stroom te voorzien. De veerkracht van het apparaat houdt het bruikbaar, zelfs nadat het meerdere keren is doorboord en tot 2000 keer is uitgerekt. 

Volgens senior auteur Mohammad Malakooti, assistent‑professor werktuigbouwkunde aan de UW:

“Wanneer je dit apparaat op je huid plaatst, gebruikt het je lichaamswarmte om direct een LED van stroom te voorzien. Zodra je het apparaat aanbrengt, gaat de LED branden. Dit was eerder niet mogelijk.”

Om functioneel uit te leggen heeft het apparaat drie hoofdlagen. De laag in het midden bevat stijve thermoelectrische halfgeleiders die warmte omzetten in elektriciteit. Deze halfgeleiders worden omgeven door 3D‑geprinte composieten met een lage thermische geleidbaarheid, wat de energieconversie verbetert en het gewicht van het apparaat vermindert. 

Verder, om rekbaarheid, geleidbaarheid en elektrische zelfherstel te bieden, zijn de halfgeleiders verbonden met geprinte vloeibare‑metaal‑sporen. Bovendien verbeteren ingebedde vloeibare‑metaaldruppels in de buitenlagen de warmteoverdracht naar de halfgeleiders en behouden ze flexibiliteit omdat het metaal bij kamertemperatuur vloeibaar blijft.

Terwijl hij sprak over de voordelen van de technologie en het bredere doel, zei Mohammad Malakooti het volgende:

“Dit kan vooral nuttig zijn in datacenters, waar servers en computerapparatuur veel elektriciteit verbruiken en warmte genereren, waardoor nog meer elektriciteit nodig is om ze koel te houden. Onze apparaten kunnen die warmte opvangen en hergebruiken om temperatuur‑ en vochtigheidssensoren van stroom te voorzien.”

Hij voegde toe:

“Deze aanpak is duurzamer omdat het een zelfstandig systeem creëert dat de omstandigheden monitort terwijl het totale energieverbruik wordt verminderd. Bovendien is er geen zorg over onderhoud, het vervangen van batterijen of het toevoegen van nieuwe bedrading.”

In de toekomst waren de onderzoekers optimistisch dat deze technologie toegepast zou worden in virtual‑reality‑systemen en andere draagbare accessoires om warme en koude sensaties op de huid te creëren of het algehele comfort te verbeteren.  

Drie jaar eerder, in oktober 2021, hadden onderzoekers van CU Boulder een vergelijkbare doorbraak. We zullen dat onderzoek in het volgende segment bekijken.

Klik hier om meer te leren over de slimme stof die lichaamswarmte omzet in energie.

Draagbaar apparaat dat het lichaam in een batterij veranderde

Onderzoekers van CU Boulder bedachten een nieuw, betaalbaar draagbaar apparaat dat het menselijk lichaam in een biologische batterij kan omzetten. 

Een van de meest aantrekkelijke kenmerken van het apparaat was dat het voldoende rekbaar was om te worden gedragen als een ring, armband of een ander accessoire dat de huid van de drager raakt. Het maakte gebruik van de natuurlijke warmte van een persoon — thermoelectric generators inzetten om de interne lichaamstemperatuur om te zetten in elektriciteit.

Het apparaat kon ongeveer 1 volt energie genereren per vierkante centimeter huidoppervlak — minder spanning per oppervlakte dan de meeste bestaande batterijen, maar nog steeds voldoende om elektronica zoals horloges of fitness‑trackers van stroom te voorzien.

De onderzoekers maakten gebruik van een basis van een rekbaar materiaal genaamd polyimine en bevestigden vervolgens een reeks dunne thermoelectric chips aan die basis, waarbij ze allemaal met vloeibare‑metaaldraadjes werden verbonden. Het eindproduct leek op een kruising tussen een plastic armband en een miniatuur computer‑moederbord of misschien een technologische diamanten ring.

De oplossing was flexibel genoeg zodat de energie kon worden vergroot door meer generatorblokken toe te voegen. Een van de onderzoekers vergeleek de oplossing met de manier waarop we met Legos omgaan:

“Het is alsof je een aantal kleine Legostukjes samenvoegt tot een grote structuur. Het biedt veel aanpassingsmogelijkheden.”

Ultradunne, flexibele film die de volgende generatie draagbare apparaten van stroom voorziet

Recenter onderzoek, geleid door een team van de Queensland University of Technology, ontwikkelde een ultradunne, flexibele film die de volgende generatie draagbare apparaten van stroom kan voorzien met lichaamswarmte, waardoor batterijen overbodig worden.

Bovendien kan de technologie elektronische chips koelen, waardoor smartphones en computers efficiënter kunnen werken.

Volgens professor Zhi‑Gang Chen, wiens team nieuw onderzoek publiceerde in het prestigieuze tijdschrift Science:

“Flexibele thermoelectrische apparaten kunnen comfortabel op de huid worden gedragen, waar ze effectief het temperatuurverschil tussen het menselijk lichaam en de omringende lucht omzetten in elektriciteit.”

Terwijl hij sprak over de potentiële toepassing van deze technologie, benadrukte professor Chen dat het kan worden toegepast in een krappe ruimte, zoals binnen een computer of mobiele telefoon, om chips te koelen en de prestaties te verbeteren. 

Andere toepassingen omvatten persoonlijk thermisch beheer, waarbij lichaamswarmte een draagbaar verwarmings-, ventilatie‑ en airconditioningsysteem kan aandrijven. De onderzoekers noemden enkele uitdagingen die ook gelden voor vergelijkbare innovaties. Deze uitdagingen omvatten beperkte flexibiliteit, complexe productie, hoge kosten en onvoldoende prestaties.

Echter, het onderzoek dat we nu bespreken bood enkele oplossingen op het gebied van kostenbeheer. Terwijl de meeste onderzoeken in dit gebied zich richtten op op bismutelluride gebaseerde thermoelectrics, gewaardeerd om hun hoge eigenschappen die warmte omzetten in elektriciteit, introduceerde het team een kosteneffectieve technologie voor het maken van flexibele thermoelectrische films door gebruik te maken van kleine kristallen, of “nano‑binders”, die een consistente laag bismutelluride‑vellen vormden, waardoor zowel efficiëntie als flexibiliteit werden verhoogd.

Meer specifiek gebruikte het team “solvothermale synthese”, een techniek die nanokristallen vormt in een oplosmiddel onder hoge temperatuur en druk, gecombineerd met “screen‑printing” en “sinteren”.

De onderzoekers creëerden een printbare A4‑formaat film met record‑hoge thermoelectrische prestaties, uitzonderlijke flexibiliteit, schaalbaarheid en lage kosten. De screen‑printing‑methode maakte grootschalige filmproductie mogelijk, terwijl sinteren de films tot bijna het smeltpunt verhitte, waardoor de deeltjes aan elkaar werden gebonden.

De oplossing kan ook werken met andere systemen, zoals op zilverselenide gebaseerde thermoelectrics, die mogelijk goedkoper en duurzamer zijn dan traditionele materialen.

Slotwoorden

Succesvol energiemanagement is geëvolueerd tot de meest kritieke drempel die een technologische oplossing kan maken of breken. Energie‑oogsttechnieken die lichaamswarmte benutten om draagbare technologie van stroom te voorzien, zijn de meest veelbelovende benadering in deze richting, omdat ze efficiëntie garanderen zonder externe energie of stroom te vereisen. De oplossingen die uit deze inspanningen voortvloeien, zijn duurzaam. Met toenemende adoptie is het nu slechts een kwestie van tijd voordat deze oplossingen geschikt zijn voor grootschalige commerciële productie, waardoor kosten worden verlaagd en beschikbaarheid wordt verbeterd.

Studieverwijzing:

^{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}