Kan vi snart drive våre elektroniske enheter med bærbare energihøster?

Gjør elektroniske enheter fleksible

Med smarttelefoner har vi blitt vant til å ha elektronikk med oss hele tiden. Dette skjer imidlertid fortsatt med en klump av metall og plast, som, om noe, blir større og tyngre hvert år.

Neste steg ville være å integrere elektroniske enheter i klærne våre på en mer sømløs måte. Dette har allerede startet med bærbar elektronikk som smartklokker og andre helsefokuserte wearables.

Et steg videre ville være å integrere elektronikk direkte i klærne våre. Men for det må den være svært fleksibel og lett. Det har blitt gjort betydelige fremskritt i den retningen:

• Bøybare skjermer er nå rutinemessig integrert i high-end smarttelefoner av Samsung og Huawei.
• Bøybare og strekkbare batterier laget av polymerer er under utvikling.
• Mikroprosessorer kan også bøyes.

Så, hvis skjermer, batterier og til og med prosessorer nå er fleksible og bøybare, hva hindrer oss fortsatt fra å ha wearables integrert i klærne våre? Å forsyne dem med strøm er fortsatt en alvorlig hindring.

Men dette kan endre seg, takket være en oppdagelse av koreanske forskere ved 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) og Jeonbuk National University.

De utviklet en bærbar energihøster som er 280 ganger mer effektiv enn konvensjonelle enheter, ved å bruke en ny type piezoelektrisk energihøster.

Den ble publisert i ACS Nano, under tittelen “Kurvaturspesifikt koblingselektrodesign for en strekkbar tredimensjonal uorganisk piezoelektrisk nanogenerator¹”.

Triboelektriske og piezoelektriske enheter

Energihøster er systemer som produserer energi fra bevegelser. Det finnes hovedsakelig to typer, basert på om de fungerer etter triboelektrisk effekt eller piezoelektrisk effekt.

Triboelektriske generatorer er det som vanligvis kalles elektrostatisk, eller det som skjer når to objekter berører eller sklir mot hverandre. Dette kan generere noe strøm, men er ofte for svak til å drive elektronikk.

Piezoelektrisk er effekten av å generere strøm som respons på mekanisk stress som bøying, klemme osv. Inntil nå har de fleste piezoelektriske energihøster blitt laget ved bruk av organiske eller komposittbaserte piezoelektriske materialer, som har lav energieffektivitet.

Professor Jangs team brukte en annen type materiale: blyzirkonat titanat (PZT).

Kilde: DGIST

PZT-piezoelektrisk generator

PZT har lenge vært kjent for sin utmerkede piezoelektriske ytelse, men den er også hard og sprø. Derfor var det lite sannsynlig at bruk av den i strekkbare enheter og å stole på bevegelse for å generere strøm ville skape en holdbar generator for wearables.

Dermed undersøkte forskerne hvordan de kunne designe en PZT-basert 3D-struktur som ville være ufølsom for deformasjon og garantere strekkbarhet samtidig som den beholder den piezoelektriske evnen.

Det første steget var å lage en buet elektrode med en konveks form som produserer strøm når den strekkes.

Kilde: ACS Nano

Deretter satte de sammen strenger av disse elektrodene i hverandre, likt nettet i et stoff eller en kurvvev.

Kilde: ACS Nano

Løse problemer

Fordi elektrodene er sammenflettet, kan de lett kansellere hverandre. For å unngå dette ble elektrodene delt inn i konvekse og konkave regioner i henhold til retningen på den induserte utgangsspenningen.

Strømmen kan genereres av enhver bevegelse av kroppen, som forskerne testet på kneet, hånden eller til og med fingrene.

Kilde: ACS Nano

Dette skapte en svært effektiv piezoelektrisk generator, som viser både ekstrem strekkbarhet og den høyeste strømtettheten for enhver enhet av denne typen.

Kilde: ACS Nano

“Utviklingen av denne svært effektive strekkbare piezoelektriske energihøsterteknologien er en betydelig prestasjon i denne forskningen. Vi forventer at denne teknologien vil bli nyttig etter kommersialisering og føre til praktisk bruk av bærbare energihøster.”
Pr. Kyung-In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Applikasjoner

Bærbare enheter

Den mest direkte applikasjonen ville være å forsyne elektronikk integrert i klær når vi beveger oss, for eksempel mens vi går.

Dette kan være nyttig for bærbare enheter, spesielt helsemålingsenheter som da ikke vil være avhengige av vanlig batterilading.

Medisinske implanter

En spesiell type implantat kan ha stor nytte av denne typen generator: hjerteimplantater.

Hjertet beveger seg og kontraherer kontinuerlig, noe som kan gi en stabil energikilde for slike medisinske implantater.

Forskerne testet konseptet ved å innkapsle generatoren i en polyimidfilm. Dette var nødvendig for effektivt å isolere PZT fra bioflyt og vev, da PZT kan være giftig.

Kilde: ACS Nano

Militær

En annen applikasjon kan være i militæret, hvor infanteriet i økende grad er avhengig av strømkrevende sensorer, kommunikasjon, elektronisk krigføring osv.

Det er knapt praktisk for kampstyrker å måtte håndtere et virvar av kabler og batterier. Samtidig må de allerede håndtere våpen, ammunisjon, telekommunikasjonsløsninger osv. En piezoelektrisk generator direkte koblet til fleksibel elektronikk i soldatenes uniform kan være et godt alternativ.

Investering i wearables

Bærbar teknologi forventes å vokse med 14,6 % CAGR frem til 2030, fra $61,2 mrd i 2022.

Kilde: Grand View Research

Du kan investere i selskaper relatert til wearables gjennom mange meglere, og du kan finne her, på securities.io, våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke selskaper, kan du også se på ETF-er som iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) eller SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av den voksende wearables- og medisinsk enhetsindustrien.

Du kan også konsultere vår artikkel “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Wearables-selskap

Bygge wearables

En måte å bygge fleksibel elektronikk på er ved å bruke polymerer. En annen måte er å bruke et svært fleksibelt og ikke-giftig metall, gallium, som vi diskuterte i en dedikert investeringsrapport.

Solenergi, i tillegg til den piezoelektriske effekten, kan også lade fleksible wearables. Dette kan oppnås enten ved å bruke perovskittsolceller eller ultratynne organiske fotovoltaiske teknologier.

Koninklijke Philips N.V.

Philips er et velkjent forbrukerelektronikkmerke (barbermaskiner, elektriske tannbørster), og er like aktiv innen helsevesenet. Det var nummer 1 for MedTech-patentinnleveringer i Europa i 2022.

Det er aktivt innen tilkoblede medisinske produkter, fra wearables til bildediagnostikk, respiratorer eller medisinske roboter. Selskapet er også aktivt innen halvledere (inkludert maglev-teknologi) og høyteknologi/robotikk/automatisering.

Kilde: Philips

Philips’ wearables tilbyr dekning av hjerte-, respirasjons- og aktivitetsmålinger. Sensorene kan integreres i smartklokker, helsesporere, medisinske plaster og aktivitetsmålere.

Når det gjelder wearables, foretrekker Philips en partnerskapsløsning, hvor de utvikler for tredjepart “deres” tilkoblede IoT (Internet of Things) medisinske enheter som er fullt kompatible med resten av Philips’ løsninger. I den sammenhengen tilbyr de sine kunder prototyping, regulatorisk rådgivning, ende-til-ende produktutvikling og produksjon i industriell skala.

Dette gjør Philips til et teknologifokusert selskap og en sannsynlig kandidat for rask integrering av innovasjoner som fleksible piezoelektriske generatorer i eksisterende medisinske enheter.

I 2023 påvirket Philips sine enheter direkte 1,82 milliarder mennesker.

Selskapet ønsker å skape et fullt integrert digitalt helsevesen, hvor sensorer matcher enheter, og deretter bruke flere tilkoblingsløsninger for å integrere i Philips HealthSuite Cloud-løsningen og muliggjøre dyp dataanalyse.

Kilde: Philips

Som leverandør i MedTech-industrien er Philips ikke like synlig i sektoren som andre mer fremtredende selskaper. Likevel er de eksperter på å bygge høyytelses elektroniske enheter og sensorer, og presser ofte grensene for hva som er mulig innen deres nisje i helsevesenet og wearables.

Ettersom wearables i økende grad integreres i helsevesenet og medisinske protokoller, vil Philips’ Healthcare-segment sannsynligvis vokse som en del av konsernet.

Studierreferanse:

^{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). Kurvaturspesifikt koblingselektrodesign for en strekkbar tredimensjonal uorganisk piezoelektrisk nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}