Haptiske energihøster lar deg være din egen batteribank

Du har sikkert hørt begrepene haptisk energi eller haptisk tilbakemelding. Begrepet har blitt brukt hyppig i disse tider med bærbar teknologi. I 2024, et enormt volum av 534 millioner bærbare enheter ble sendt globalt.

Disse enhetene inkluderte et bredt spekter av elektroniske enheter som smartklokker, treningssporere, hodetelefoner, utvidet virkelighet-enheter, det vil si, VR-headset og augmented reality-briller. Med fremveksten av bærbar elektronikk har et paradigme for haptisk energi oppstått.

I løpet av de siste fire tiårene har hovedkommunikasjonsmetoden i elektronikk vært hørbar eller visuell tilbakemelding, med hovedspråket for kommunikasjon som lyd og lys. Men i dag har haptisk tilbakemelding blitt en annen måte for elektronikk å kommunisere med mennesker på, ved å bruke deres følesans.

Smarttelefoner, smartklokker, treningssporere – alle disse bærbare batteridrevne systemene kan bruke haptikk. Som en anvendelse har den en veletablert plass i forbruker-, industri- og bilapplikasjoner, som smarttelefoner, nettbrett, mus, minibanker og bilens infotainmentsystemer. 

Nå har et forskerteam med suksess anvendt haptisk energi på bærbare enheter¹. Mens de snakket om formålet med forskningen og betydningen av hva den kunne oppnå, hadde Saad Khan, medforfatter og INVISTA-professor i kjemisk og biomolekylær ingeniørkunst ved NC State, følgende å si:

“Vi begynte deretter en serie eksperimenter for å undersøke om vi kunne bruke amfifiler til å modifisere materialer og innlemme dem i haptiske energihøster.” 

For å lære mer om forskningen og dens resultater, vil vi gå dypere inn i den i neste segment. 

Komprimering av sklirende overflate‑samlede amfifiler for justerbare haptiske energihøster

Kilde: NC State University

Forskerne innså at en tilbakevendende utfordring ved å hente energi fra omgivelsesbevegelse var at enheter må opprettholde høy høstingsvirkningsgrad og en positiv brukeropplevelse når grensesnittet gjennomgår dynamisk kompresjon. Forskerne viste at små amfifiler kunne brukes for å justere friksjon, haptikk og triboelektriske egenskaper ved å samle dem i spesifikke konformasjoner på materialenes overflate. Amfifiler er molekyler som ofte brukes i forbrukerprodukter for å redusere friksjon mot menneskelig hud. For eksempel blir disse molekylene ofte innarbeidet i bleier for å forhindre gnagsår. 

Mens hun snakket om søken og motivasjonene som drev den, hadde Lilian Hsiao, korresponderende forfatter av en artikkel om arbeidet og førsteamanuensis i kjemisk og biomolekylær ingeniørkunst ved North Carolina State University, følgende å si:

“Vi satte i gang med å utvikle en modell som ville gi oss en detaljert grunnleggende forståelse av hvordan ulike amfifiler påvirker overflatefriksjonen på forskjellige materialer.”

Forskerne så at molekyler som dannet flere glideskiver under trykk, spesielt gjennom π-π-stabling, gir 80 til 90 % lavere friksjon enn de som danner uordnede mesostrukturer. Som et resultat foreslo forskerne en skaleringsramme for deres friksjonsreduksjonsegenskaper som tar hensyn til adhesjon og kontaktmekanikk.

Ved å oppnå sitt mål innså forskerne at amfifilbelagte overflater hadde en tendens til å motstå slitasje og generere en distinkt taktil oppfatning, med mennesker som foretrekker mer sklirende materialer. På et annet nivå kunne forskerne også forbedre triboelektrisk utgang ved bruk av amfifiler med høy elektronaffinitet.

Alt i alt representerte molekyler som kunne selvorganisere seg til sklirende plan under trykk en enkel måte å fremme utviklingen av haptiske krafthøster i stor skala. For å forklare i mer praktiske termer fant forskerne at det var mulig å bruke amfifiler til å lage bærbare stoffer med sklirende overflater som føltes godt mot menneskelig hud.

Videre fant forskerne at noen amfifiler, på grunn av deres iboende elektroniske egenskaper, kunne fungere som elektron‑donorer. Disse elektron‑donerende amfifilene, når de ble innarbeidet i bærbare materialer, resulterte i et komfortabelt materiale som kunne generere elektrisitet gjennom friksjon produsert ved gnidning mot menneskelig hud eller andre overflater.

Oppsummert, som Hsiao påpekte, fant forskerne i deres proof‑of‑concept‑testing at disse amfifilmaterialene ikke bare føltes bra på huden, men kunne generere opptil 300 volt, noe som var bemerkelsesverdig for et lite stykke materiale.

Ifølge Saad Khan:

“Vi er interessert i å gjøre mer for å utnytte disse materialene, for eksempel ved å utforske hvordan de kan innarbeides i eksisterende haptiske enheter. Og vi er åpne for å samarbeide med industripartnere for å identifisere nye anvendelser.”

Mens forskning og dens industrielle adopsjon må gå hånd i hånd, er det flere selskaper som allerede er dypt involvert i å forske på produkter som kan høste energi fra kroppen for å drive bærbare teknologiske enheter. I de følgende segmentene diskuterer vi et par av slike banebrytende selskaper som kan ha nytte av forskning som den vi har diskutert. 

1. Medtronic PLC

Et av selskapene som har jobbet omfattende med bærbar teknologi er Medtronic. Denne store offentlige med‑tech-giganten er kanskje en av de best posisjonerte til å utnytte haptiske energihøster. 

Et av Medtronics mest betydningsfulle tilbud er BioButton, en flerparameter, medisinsk‑gradert bærbar enhet designet for intelligent pasientovervåkning. Den gir trenddata på viktige vitale tegn og biometrikk, og fungerer som en tidlig indikator på pasientforverring.

Designet for kontinuerlig overvåkning av de ledende indikatorene på pasientforverring, kan monitoren måle hvilepustefrekvens, hvilepuls, hudtemperatur og en rekke biometriske data. Den bærbare enheten gjorde det mulig for forskere å utforske trenddata for å hjelpe klinikere med å identifisere pasienter som kan trenge klinisk intervensjon og de som kan være klare for utskrivning.

I 2022 inngikk Medtronic et strategisk partnerskap med BioIntelliSense, et selskap for kontinuerlig helsesporing og klinisk intelligens, for eksklusive amerikanske sykehus- og 30‑dagers post‑akutt sykehus‑til‑hjem distribusjonsrettigheter for BioButton. 

Under kunngjøringen av partnerskapet hadde Frank Chan, Ph.D., president for Patient Monitoring‑virksomheten, som var en del av Medtronics Medical Surgical‑portefølje, følgende å si:

“Vår visjon er å gi klinikere og pasienter handlingsbare innsikter for å personalisere omsorgen – når som helst, hvor som helst. Gjennom vårt samarbeid med BioIntelliSense vil vi støtte kontinuerlig, tilkoblet omsorg fra sykehus til hjem og utvide vår rekkevidde for å hjelpe flere pasienter på flere steder enn noen gang før.”

Som et av de mest betydningsfulle med‑tech‑selskapene i verden er Medtronic kanskje best posisjonert til å dra nytte av forskning som den vi har diskutert. I mai 2024 kunngjorde Medtronic sine finansresultater for fjerde kvartal og regnskapsåret 2024. Selskapet rapporterte en Q4‑omsetning på 8,6 milliarder dollar, en økning på 0,5 % som rapportert og 5,4 % organisk. Selskapet rapporterte en FY‑24‑omsetning på 32,4 milliarder dollar, en økning på 3,6 % som rapportert og 5,2 % organisk. 

2. Philips

Som Medtronic er en annen teknologigigant som har lagt mye FoU‑innsats i å utvikle banebrytende bærbar teknologi Philips. Pasient‑bårne overvåkningsløsninger fra Philips gir pasientene frihet til å bevege seg rundt i omsorgsenheten eller sykehuset.

Designet for komfort bruker Philips’ pasient‑bårne enheter trådløs teknologi for å overføre data og alarmer til der de trengs, som et sentralt sykepleieområde, fjernobservasjonsområde eller en omsorgspersons mobile enhet. Enhetene har et spekter av målekapasiteter for å dekke de kliniske behovene til generelle og mellomliggende pasientpopulasjoner. 

Produktets merkenavn er Intellivue MX40. Brukere kan betjene IntelliVue MX40 med engangsbatterier AA eller ett enkelt oppladbart Philips‑batteri. Enheten støtter muligheten til å hente avledet 12‑leddet ECG‑informasjon mens den kontinuerlig overvåker ST og QT, FAST SpO2 og impedansrespirasjon. Med opptil 5 skjermformater er den nødvendige informasjonen lett tilgjengelig med ett enkelt trykk.

Enheten har en trådløs kortdistanse‑tilkobling til IntelliVue‑monitorer for å fange vitale tegn eller for mer omfattende visning. Enheten har en unik kabelkontakt designet for å redusere innsamling av jord og væsker, samt et kapseldesign som tåler høy‑nivå desinfeksjonsmidler, inkludert periodisk sterilisering.

Ifølge den nyeste tilgjengelige informasjonen, registrerte Philips i 2023 et salg på 18,2 milliarder euro med 6 % sammenlignbar salgsvekst og en justert EBITA‑margin på 10,6 % 

Mens store teknologiselskaper som Medtronic og Philips utvikler produkter som kan dra betydelig nytte av haptiske energihøster, har flere andre forskningsorganisasjoner arbeidet langs samme linje. 

I de kommende segmentene diskuterer vi noen slike forskningsstudier som har potensial til å revolusjonere anvendelser innen dette feltet.

Elektronisk prototype som høster energi fra kroppens varme og gjør den om til elektrisitet

I september 2024 kom rapporter fra forskere ved University of Washington som utviklet en fleksibel, holdbar elektronisk prototype som kan høste energi fra kroppens varme og omdanne den til elektrisitet for å drive små elektroniske enheter, som batterier, sensorer eller LED‑er. Enhetens robusthet gjør den brukbar selv etter at den har blitt punktert flere ganger og strukket opptil 2000 ganger. 

Ifølge seniorforfatter Mohammad Malakooti, assistentprofessor i maskinteknikk ved UW:

“Når du legger denne enheten på huden, bruker den kroppens varme til å direkte drive en LED. Så snart du legger enheten på, lyser LED‑en. Dette var ikke mulig før.”

For å utdype funksjonelt har enheten tre hovedlag. Laget i midten har stive termoelektriske halvledere som konverterer varme til elektrisitet. Disse halvlederne er omgitt av 3D‑printede kompositter med lav termisk ledningsevne, noe som forbedrer energikonverteringen og reduserer enhetens vekt. 

Videre, for å gi strekkbarhet, ledningsevne og elektrisk selv‑helbredelse, er halvlederne koblet med trykte flytende metall‑spor. I tillegg forbedrer innebygde flytende metall‑dråper i de ytre lagene varmetransporten til halvlederne og opprettholder fleksibiliteten fordi metallet forblir flytende ved romtemperatur.

Mens han snakket om fordelene med teknologien og dens større formål, hadde Mohammad Malakooti følgende å si:

“Dette kan være spesielt nyttig i datasentre, hvor servere og databehandlingsutstyr forbruker betydelig elektrisitet og genererer varme, noe som krever enda mer strøm for å holde dem kjølige. Våre enheter kan fange den varmen og omforme den til å drive temperatur‑ og fuktighetssensorer.”

Han la til:

“Denne tilnærmingen er mer bærekraftig fordi den skaper et frittstående system som overvåker forholdene samtidig som den reduserer samlet energiforbruk. I tillegg er det ingen bekymring for vedlikehold, batteribytte eller ny ledningsføring.”

I fremtiden var forskerne optimistiske med at teknologien vil finne anvendelse i virtuelle virkelighetssystemer og andre bærbare tilbehør for å skape varme‑ og kuldefølelser på huden eller forbedre den generelle komforten. 

Tre år før dette, i oktober 2021, hadde forskere ved CU Boulder et lignende gjennombrudd. Vi vil se på den forskningen i neste segment.

Klikk her for å lære om det smarte stoffet som konverterer kroppens varme til energi.

Bærbar enhet som gjorde kroppen til et batteri

Forskere ved CU Boulder kom opp med en ny, lavkostnads bærbar enhet som kunne forvandle den menneskelige kroppen til et biologisk batteri. 

En av de mest fristende egenskapene ved enheten var at den var elastisk nok til å bæres som en ring, et armbånd eller et annet tilbehør som berørte brukerens hud. Den utnyttet en persons naturlige varme – ved å bruke termoelektriske generatorer for å konvertere kroppens interne temperatur til elektrisitet.

Enheten kunne generere omtrent 1 volt energi for hver kvadratcentimeter hud – lavere spenning per område enn de fleste eksisterende batterier, men likevel nok til å drive elektronikk som klokker eller treningssporere.

Forskerne utnyttet en base laget av et elastisk materiale kalt polyimin og festet deretter en rekke tynne termoelektriske brikker i den basen, og koblet dem alle sammen med flytende metalltråder. Det endelige produktet så ut som en kryssning mellom et plastarmbånd og et miniatyrdatamoderkort eller kanskje en teknisk diamantring.

Løsningen var fleksibel nok til at kraften kunne forsterkes ved å legge til flere blokker med generatorer. En av forskerne sammenlignet løsningen med hvordan vi håndterer Legoklosser:

“Det er som å sette sammen en rekke små Legoklosser for å lage en stor struktur. Det gir deg mange tilpasningsmuligheter.”

Ultratynn, fleksibel film som driver neste generasjons bærbare enheter

En nyere forskning, ledet av et team fra Queensland University of Technology, utviklet en ultratynn, fleksibel film som kunne drive neste generasjons bærbare enheter ved å bruke kroppens varme, og dermed eliminere behovet for batterier.

I tillegg kunne teknologien kjøle elektroniske brikker, noe som hjelper smarttelefoner og datamaskiner med å fungere mer effektivt.

Ifølge professor Zhi‑Gang Chen, hvis teams nye forskning ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Science:

“Fleksible termoelektriske enheter kan bæres komfortabelt på huden hvor de effektivt omdanner temperaturforskjellen mellom menneskekroppen og omgivende luft til elektrisitet.”

Mens han snakket om den potensielle anvendelsen av denne teknologien, fremhevet professor Chen at den kunne brukes i trange rom, som inne i en datamaskin eller mobiltelefon, for å hjelpe med å kjøle brikker og forbedre ytelsen. 

Andre anvendelser inkluderte personlig termisk styring, hvor kroppens varme kunne drive et bærbart oppvarmings-, ventilasjons- og klimaanlegg. Forskerne nevnte noen utfordringer som også gjaldt lignende innovasjoner. Disse utfordringene inkluderte begrenset fleksibilitet, kompleks produksjon, høye kostnader og utilstrekkelig ytelse.

Imidlertid tilbød forskningen vi nå diskuterer noen løsninger når det gjelder kostnadsstyring. Mens de fleste studier på dette området hadde fokusert på bismuttellurid‑baserte termoelektriske materialer, verdsatt for deres høye egenskaper som konverterer varme til elektrisitet, introduserte teamet en kostnadseffektiv teknologi for å lage fleksible termoelektriske filmer ved å bruke små krystaller, eller «nano‑bindere», som dannet et jevnt lag av bismuttellurid‑ark, og økte både effektivitet og fleksibilitet.

Mer spesifikt benyttet teamet «solvotermisk syntese», en teknikk som dannet nanokrystaller i et løsningsmiddel under høy temperatur og trykk, kombinert med «silkeskjerming» og «sintering».

Forskerne laget en utskrivbar A4‑størrelse film med rekordhøy termoelektrisk ytelse, eksepsjonell fleksibilitet, skalerbarhet og lav kostnad. Silkeskjermingsmetoden tillot storskala filmproduksjon, mens sintering oppvarmet filmene til nesten smeltepunktet, og bundet partiklene sammen.

Løsningen kunne også fungere med andre systemer, som sølvselenid‑baserte termoelektriske materialer, som potensielt var billigere og mer bærekraftige enn tradisjonelle materialer.

Avsluttende ord

Vellykket energistyring har utviklet seg til den mest kritiske terskelen som kan gjøre eller bryte en teknologisk løsning. Energihøstingsmetoder som utnytter kroppens varme til å drive bærbar teknologi er den mest lovende tilnærmingen i denne retningen, og sikrer effektivitet uten å kreve ekstern energi eller strøm. Løsningene som følger av disse innsatsene er bærekraftige. Med økende adopsjon er det nå bare et spørsmål om tid før disse løsningene blir egnet for oppskalert kommersiell produksjon, noe som reduserer kostnader og forbedrer tilgjengelighet.  

Studierreferanse:

^{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}