Thermo-elektrische doorbraak zet de voortgang van wearables voort

Een onderzoeksteam van Queensland University of Technology (QUT) heeft een flexibel en extreem dun film ontwikkeld om draagbare apparaten van stroom te voorzien met alleen onze lichaamswarmte, waardoor batterijen overbodig worden. 

De nieuwe technologie kan ook worden gebruikt om elektronische chips in smartphones en computers te koelen, waardoor ze efficiënter werken en hun stabiliteit verbetert.

De doorbraak, volgens professor Zhi-Gang Chen, de oprichtersdirecteur van de ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), pakt een belangrijke uitdaging aan bij het creëren van een thermoelectisch apparaat dat lichaamswarmte omzet in stroom. Het apparaat heeft het potentieel om een duurzame energiebron voor draagbare elektronica te zijn.

Over flexibele thermoelectische apparaten, legde professor Chen uit dat:

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

Een uitzonderlijk thermoelectisch draagbaar apparaat bouwen

Apparaten die lichaamswarmte kunnen omzetten in energie, hoewel een onderwerp van enorme interesse en onderzoek, worden momenteel geconfronteerd met hoge kosten, complexe productie, beperkte flexibiliteit en onvoldoende prestaties, waardoor massaproductie en adoptie worden belemmerd. 

Bron: Queensland University of Technology

In de recentste studie gepubliceerd in het tijdschrift Science introduceerde het QUT-team een kosteneffectieve methode voor het maken van flexibele thermoelectische films. Hiervoor gebruikten ze kleine kristallen of ‘nanobinders’ die een consistente laag van bismuttelluridevellen vormen, waardoor zowel flexibiliteit als efficiëntie wordt verhoogd.

Bismuttelluride (Bi2Te3) is een populair materiaal dat door onderzoekers wordt gebruikt om dergelijke apparaten te bouwen.  Het grijze poeder is een verbinding van bismut en telluur. Het chemisch stabiele halfgeleider vertoont uitstekende eigenschappen die warmte omzetten in elektriciteit, waardoor het ideaal is voor toepassingen met laag vermogen zoals bewegings-, hartslag- en temperatuursensoren.

Dus heeft het QUT-team een printbare film van A4-formaat gemaakt “met recordhoog thermoelectisch rendement, uitzonderlijke flexibiliteit, schaalbaarheid en lage kosten, waardoor het een van de beste flexibele thermoelectrics op de markt is,” zei professor Chen.

De printbare film van het QUT-team bestaat uit op Bi2Te3 gebaseerde nanoplaten als sterk georiënteerde korrels en Te-nanorods als “nanobinders.” 

De hier gebruikte techniek was “solvothermale synthese”, waarbij nanokristallen worden gevormd in een oplosmiddel onder hoge temperatuur en druk. Deze techniek werd gecombineerd met “sinteren”, waarbij de films tot bijna het smeltpunt worden verwarmd om de deeltjes te verbinden, en “zeefdrukken”, waarmee grootschalige filmproductie mogelijk is.

De door het team gebruikte methode zou ook kunnen werken met andere anorganische systemen zoals op zilverselenide (Ag2Se) gebaseerde thermoelectrics, die potentieel goedkoper en duurzamer zijn dan conventionele materialen, wat de brede toepasbaarheid van de techniek aantoont.

“Deze flexibiliteit in materialen toont de breedte van de mogelijkheden die onze aanpak biedt voor de vooruitgang van flexibele thermoelectrische technologie.”

– De eerste auteur van de studie, Wenyi Chen

Het apparaat bereikte, volgens de studie, een genormaliseerde vermogensdichtheid van >3 μW cm−2 K−2, wat het team aangeeft “tot de hoogste behoort bij zeefgedrukte apparaten.” 

Daarmee biedt het nieuwste onderzoek een krachtige oplossing voor wearables zoals smartwatches en persoonlijke thermische beheersing. Naast het van stroom voorzien van wearables, kunnen deze thermoelectrische apparaten ook in een krappe ruimte worden toegepast, zoals in de binnenkant van een mobiele telefoon, om chips te koelen en de prestaties te verbeteren. 

Zo kan de film, wanneer deze in een apparaat wordt toegepast, de chiptemperatuur met tot 11,7 Kelvin verlagen, waardoor optimale prestaties van elektronische apparaten behouden blijven. 

Als het team de prestaties van dit flexibele elektrische apparaat succesvol verbetert, kunnen ze rechtstreeks stroom leveren aan toekomstige smartphones, verklaarde Chen in de officiële video getiteld “Doorbraak brengt door lichaamswarmte aangedreven wearables dichter bij de realiteit,” geplaatst op het YouTube-kanaal van de universiteit.

Andere potentiële toepassingen van het apparaat omvatten airconditioningsystemen en ventilatie. Het QUT-onderzoeksteam ziet ook het gebruik van thermoelectrische apparaten in slimme kleding en auto-onderdelen.

Dit is echter nog maar het begin; in de volgende stap zal het team zich richten op het optimaliseren van de prestaties van de technologie en het opschalen ervan. Het commercialiseren van de technologie vereist immers het overwinnen van de uitdagingen van kostenefficiëntie op schaal, duurzaamheid en integratie met bestaande apparaten.

Vervolgonderzoek en voortdurende ontwikkeling zullen deze apparaten helpen de energie‑efficiëntie te revolutioneren in diverse sectoren, van consumentenelektronica tot medische en automotive toepassingen.

Klik hier om te leren hoe gezondheidswearables preventieve zorg bevorderen.

Vooruitgang in wearables‑technologie

In de technologisch geavanceerde wereld van vandaag zijn draagbare apparaten uitgegroeid tot een populaire en zeer nuttige innovatie. 

Wearables zijn simpelweg mobiele elektronische apparaten die ontworpen zijn om op het lichaam te worden gedragen of aan kleding te worden bevestigd. Enkele veelvoorkomende soorten wearables zijn smartwatches, slimme brillen en slimme sieraden zoals ringen en polsbanden. Deze apparaten volgen, analyseren en verzenden persoonlijke gegevens.

Een van de meest opvallende toepassingen van wearables is gevonden in de gezondheidszorg. Ze kunnen worden gebruikt om lichaamstemperatuur, bloeddruk, hartslag en andere vitale tekenen te monitoren. De toepassing van deze apparaten strekt zich verder uit tot fysiologische aandoeningen zoals hypertensie en spierziekten, evenals neurocognitieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson. Wearables worden ook ingezet als een medicijnafleversysteem, waardoor gepersonaliseerde zorg mogelijk wordt.

Verschillende soorten draagbare apparaten worden momenteel gebruikt in de gezondheidszorg. Dit omvat huidgebaseerde wearables zoals e‑skin, draagbare vesten, slimme ringen, oordopjes en biofluïd gebaseerde apparaten die gebruikmaken van speeksel, tranen en urine. 

Naast de gezondheidszorg worden wearables gebruikt om te communiceren met anderen, betalingen te doen en activiteitsniveaus bij te houden, evenals in de sectoren lifestyle, gaming, sport, fitness, beveiliging en defensie.

In de loop der jaren is wearables‑technologie op verschillende manieren geëvolueerd. Ten eerste zoeken onderzoekers en bedrijven voortdurend naar betere materialen om deze apparaten te bouwen. Flexibele, rekbare materialen en zachte, ultradunne ontwerpen maken het mogelijk dat deze apparaten comfortabel gedragen kunnen worden en hun functionaliteit behouden.

Zo leiden gallium‑gebaseerde vloeibare metalen, die een hoge geleidbaarheid en biocompatibiliteit hebben, de weg voor bio‑elektronica die beter op het lichaam aansluit.

Wat ontwerpen betreft, is de technologie aanzienlijk geëvolueerd ten opzichte van conventionele methoden, met nu meer nadruk op naadloze integratie met het menselijk lichaam. E‑tattoos zijn een uitstekend voorbeeld hiervan; het zijn extreem dunne, huidzachte elektronica die zich aanpassen aan de huid en op niet‑invasieve wijze fysiologische en psychologische informatie digitaliseren.

Miniaturisatie van deze apparaten, samen met geprinte elektronica en intelligente stoffen, heeft geleid tot sensoren die een verscheidenheid aan fysieke parameters kunnen monitoren, terwijl elektroden in textiel worden ingebed om activiteit te meten. Bijvoorbeeld, draagbare zweet‑sensoren monitoren continu en niet‑invasief gezondheidsindicatoren via zweet om precisiegeneeskunde te ondersteunen. 

Bron: MDPI

Er wordt ook veel vooruitgang geboekt in draagbare slimme chemische sensoren, die steeds meer toepassingen vinden in de gezondheidszorg, milieumonitoring en veiligheidsbeoordeling. 

Verschillende innovatieve benaderingen zijn genomen voor het ontwerp en de fabricage van sensoren, waarbij één dergelijk systeem is ontworpen om NO2 te detecteren door een polyvinylalcohol/borax/agarose/NaNO3‑elektrolyt en multi‑wandige koolstofnanobuizen elektroden op goudnanosheets te integreren. Het systeem vertoont verbeterde prestaties en zelfherstellende mogelijkheden, waardoor het perfect is voor draagbare toepassingen.

Beperkingen van wearables overwinnen

Met al deze innovaties die draagbare apparaten beter en effectiever maken, zien ze een transformatie in verschillende sectoren, vooral de gezondheidszorg. Ze hebben echter beperkingen zoals stabiliteit en privacy. 

Zo kan de data die van de sensoren in deze wearables wordt ontvangen, vervorming en ruis ondervinden door constante lichaamsbeweging. 

Batterijen die in wearables worden gebruikt vormen een andere aanzienlijke uitdaging. De beperkingen van energiebronnen hebben onderzoekers ertoe aangezet verschillende oplossingen te verkennen, zoals piezo‑elektrische nanogeneratoren (PENG), die functioneren als zelfvoorzienende sensoren, en tribo‑elektrische nanogeneratoren (TENG), die dienen als miniatuur‑energieharvesters.

Thermo‑elektrische generatoren hebben in het bijzonder veel aandacht gekregen in de wearables‑ruimte. In 2017 publiceerden onderzoekers van Zhejiang University en Xidian University een paper over het ontwerp van een draagbare thermoelectrische generator voor het oogsten van de energie van het menselijk lichaam. 

Net als het nieuwste onderzoek maakte ook dit gebruik van op Bi2Te3 gebaseerde thermoelectrische materialen om een apparaat te creëren dat een spanning van 48 mV kan genereren bij een temperatuurverschil van 12 K. Wanneer het op de huid van de menselijke pols wordt gemonteerd, was het uitgangsvermogen van de thermoelectrische generator 130,6 nW bij een omgevingstemperatuur van 25 °C, wat het potentieel aantoont voor het oogsten van lichaamswarmte en de ontwikkeling van draagbare zelfvoorzienende mobiele apparaten.

Een andere studie heeft vooruitgang geboekt in het ontwerp van thermoelectrische generatoren (TEG’s) voor toepassingen in het oogsten van lichaamswarmte. Het probleem is dat er een temperatuurverschil van 10‑15 °C bestaat tussen de lichaamstemperatuur en de omgevingstemperatuur, maar slechts een klein deel erdoorheen gaat bij een draagbare TEG vanwege de thermische weerstand van de huid.

Om de uitdagingen voor draagbare TEG’s te overwinnen, werd een uitgebreid quasi‑3D analytisch model ontwikkeld, waarna een microgolfverwerkingstechniek werd gebruikt om hoogpresterende thermoelectrische nanocomposieten te synthetiseren, wat leidde tot een sterke vermindering van de thermische geleidbaarheid en resulteerde in TEG’s met 4‑7 keer hogere vermogensdichtheid dan commerciële TEG’s op het menselijk lichaam.

Alleen dit jaar zijn verschillende onderzoeksstudies gepubliceerd die zich richten op thermoelectrische apparaten voor wearables. 

Enkele maanden geleden ontwikkelden onderzoekers van de University of Washington ook een zeer flexibel en zacht prototype dat energie uit lichaamswarmte kan oogsten en omzetten in elektriciteit, die vervolgens kleine elektronica kan voeden. Voor hun flexibele thermoelectrische apparaten (TED’s) gebruikte het UW-team 3D zachte architecturen, stijve halfgeleiders, multifunctionele composieten en zelfherstellende vloeibare metaalgeleiders.

Naast energie‑oogsten ligt de focus van al deze studies op de ontwikkeling van lichtgewicht en flexibele thermoelectrische materialen, het ontwerpen van aanpasbare oppervlakken die passen bij diverse lichaamsdelen, het verbeteren van de functionaliteit van wearables, en het bereiken van kostenefficiëntie en schaalbaarheid.

De snelgroeiende wearablesmarkt

De vooruitgang in wearables‑technologie en de resulterende toename in functionaliteit hebben de adoptie van deze apparaten vergroot. De groeiende interesse in wearables wordt geprojecteerd om de markt voorbij $150 billion te laten groeien vóór het einde van dit decennium.

De markt voor wearables zoals smartwatches en fitness trackers is in het bijzonder al geruime tijd in opkomst. Ze bloeiden echt tijdens de pandemie toen persoonlijke gezondheid ieders focus werd. Deze apparaten voegen steeds meer meetwaarden toe, en naarmate ze dichter bij een medisch apparaat komen, nemen steeds meer consumenten ze over.

Naast fitness en gezondheidszorg tonen techgiganten bijzondere interesse in virtual reality, augmented reality en mixed reality (VR, AR & MR) wearables. Slimme kleding en e‑teksten krijgen ook aandacht, maar blijven uitdagingen ondervinden op het gebied van schaalbaarheid van productie en producteconomie. 

Interessant genoeg wordt verwacht dat de markt voor draagbare betalingsdiensten sterk zal groeien, met een CAGR van 13,6% tot $120 billion. Deze groei wordt gestimuleerd door de adoptie van near‑field communication (NFC) in smartphones, fitness trackers en andere wearables,

Producttypen van wearables omvatten bovendien elektronische huidpleisters, borstbanden, slimme contactlenzen en draagbare camera’s, die ook van belang zijn.

Volgens een recent rapport wordt verwacht dat de wereldwijde verzendingen van wearables dit jaar met meer dan 6% jaar‑op‑jaar (YoY) zullen groeien tot bijna 538 million eenheden. Deze groei wordt gedreven door de verbeterende economie en de groeiende adoptie van wearables in opkomende regio’s.

Deze groei zal echter ongelijk verdeeld zijn over de sectoren, waarbij wearables, die meer dan 60% van de wearablesmarkt vertegenwoordigen, naar verwachting een impuls krijgen naarmate de prijzen stabiliseren. Smartwatches daarentegen zullen naar verwachting een daling van 3% zien, de eerste YoY‑daling ooit, hoewel ze naar verwachting volgend jaar weer een groei van 4,8% zullen vertonen. Dit komt door stijgende prijzen en minimale ontwerpwijzigingen.

Opkomende wearables

Als het gaat om opkomende wearables, lopen de fitness‑ en gezondheidszorgsectoren voorop. 

In de gezondheidszorg transformeren draagbare elektrocardiogram (ECG) apparaten, die verkrijgbaar zijn als smartwatches en patches, de remote hartzorg. Deze apparaten koppelen aan apps die ECG‑gegevens opslaan, die artsen op afstand kunnen bekijken en vervolgens proactief gezondheidsbeheer kunnen bieden, wat leidt tot een gezondere levensstijl. 

De wearables van vandaag maken ook continue verzameling van vitale tekenen mogelijk met behulp van geavanceerde sensoren die realtime gegevens over de drager leveren. Bijvoorbeeld, continue glucosesensoren (CGM) bieden realtime inzicht in bloedsuikerwaarden, waardoor patiënten hun gezondheid vanuit het comfort van hun huis kunnen monitoren.

Een groeiende focus onder bedrijven is ook te zien op hartslagmonitoren. Smartwatches zoals de Casio G‑Shock Rangeman zijn uitgerust met een hartslagmonitor om lichaamsbeweging en veranderingen in de natuurlijke omgeving nauwkeurig te detecteren met behulp van GPS en sensoren. Vervolgens zijn er de hartslagmonitoren van Garmin’s (GRMN ), die een comfortabel ontwerp hebben waardoor vrouwen ze direct op hun sportbeha kunnen bevestigen.

Zoals we zien, is gebruiksgemak zeker het aandachtspunt voor techbedrijven die wearables ontwikkelen. Dit geldt ook voor Oura smart rings, die op een vinger gedragen kunnen worden. De band is uitgerust met een 3D‑versnellingsmeter om beweging te bepalen, een NTC‑sensor om uw lichaamstemperatuur te observeren, en een PPG‑sensor om uw hartslag te volgen. 

Dan is er de Evie Smart Ring, die een vrouwen‑first benadering hanteert in het ontwerp door slaap, hartgezondheid en menstruatiecycli te volgen. Draagbare biosensoren bieden ondertussen veelbelovende mogelijkheden voor stressmanagement door subtiele veranderingen in biomarkers zoals cortisolniveaus te detecteren. 

Bedrijven bouwen ook koptelefoons die dragers begeleiden tijdens workouts, terwijl speciale handschoenen zoals GyroGlove zijn ontwikkeld voor Parkinson‑patiënten om tremoren te verminderen en de levenskwaliteit te verbeteren.

In de entertainmentwereld stellen wearables zoals Xreal Air gebruikers in staat om content te bekijken en games te spelen, terwijl de slimme bril van Meta’s (META ) contentcreatie en -deling mogelijk maakt. Vervolgens zijn er wearables zoals de Ai Pin, die draait op een achtkernen, 2,1 GHz Qualcomm (QCOM ) ‑processor en foto’s kan maken, sms‑berichten kan verzenden en oproepen kan beantwoorden.

Klik hier om meer te leren over thermische oorbel.

Bedrijven die de wearablesector domineren

Nu, als het gaat om bedrijven, heeft Apple (AAPL ) de sector geleid dankzij zijn robuuste portfolio van slimme producten zoals de Apple Watch. Belangrijke gezondheidsmetriek die door de watch worden gedekt, omvatten hartslag, ademhalingsfrequentie, polstemperatuur, bloedzuurstof en slaapduur.

Het grootste bedrijf ter wereld qua marktkapitalisatie van $3,75 trillion heeft momenteel aandelen die handelen tegen $248, een stijging van 28,88% dit jaar. Apple heeft een EPS (TTM) van 6,07 en een P/E (TTM) van 40,88 met een dividendrendement van 0,40%. Voor het kwartaal eindigend op 28 september 2024, waarin het bedrijf zijn iPhone 16‑reeks, AirPods 4 en Apple Watch Series 10 lanceerde met functies voor gehoongezondheid en slaapapneu‑detectie, rapporteerde de techgigant een omzet van $94,9 billion.

Intussen verovert Google de wearablesmarkt via Fitbit, dat het in 2021 heeft overgenomen. Het Chinese bedrijf Huawei lanceerde dit jaar ook zijn TruSense‑systeem om aankomende wearables van stroom te voorzien. Andere opmerkelijke namen in de sector zijn Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), en Garmin.

Conclusie

Wearable‑technologie is een snelgroeiende markt die veel interesse en ontwikkeling ziet. Bovendien banen doorbraken in thermoelectrische technologie, zoals bereikt door het QUT‑team, de weg naar een meer geavanceerde toekomst waarin deze apparaten niet langer afhankelijk zijn van batterijen, wat leidt tot lichtere en efficiëntere wearables. 

Maar hoewel al deze vooruitgangen in materiaal en ontwerp de wereldwijde wearablesmarkt stimuleren, blijven er uitdagingen bestaan op het gebied van kosten, schaalbaarheid en duurzaamheid. Alleen door verdere innovatie, voortdurende samenwerking en verhoogde investeringen kunnen al deze doorbraken worden toegepast in praktische toepassingen en geïntegreerd in ons dagelijks leven!

Klik hier voor een lijst van topondernemingen in wearable gezondheidsmonitoring om in te investeren.