Gjennombrudd innen termoelektrisk enhet baner vei for avanserte wearables

Et forskerteam fra Queensland University of Technology (QUT) har utviklet en fleksibel og ekstremt tynn film for å drive bærbare enheter ved kun å bruke kroppens varme, og dermed eliminere behovet for batterier. 

Den nye teknologien kan også brukes til å kjøle elektroniske brikker i smarttelefoner og datamaskiner, og dermed hjelpe dem med å fungere mer effektivt samt forbedre stabiliteten.

Gjennombruddet, ifølge professor Zhi-Gang Chen, den grunnleggende direktøren for ARC Research Hub i Nullutslipps kraftgenerering for karbonnøytralitet (ZeroPC), adresserer en sentral utfordring i å lage en termoelektrisk enhet som omdanner kroppens varme til strøm. Enheten har potensial til å bli en bærekraftig energikilde for bærbar elektronikk.

Når man snakker om fleksible termoelektriske enheter, forklarte professor Chen at:

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

Bygge en eksepsjonell termoelektrisk bærbar enhet

Enheter som kan omdanne kroppens varme til energi, selv om det er et tema med enorm interesse og utforskning, står for tiden overfor utfordringer som høye kostnader, kompleks produksjon, begrenset fleksibilitet og utilstrekkelig ytelse, noe som hindrer masseproduksjon og adopsjon. 

Kilde: Queensland University of Technology

I den siste studien publisert i tidsskriftet Science, introduserte QUT-teamet en kostnadseffektiv metode for å lage fleksible termoelektriske filmer. Til dette brukte de små krystaller eller ‘nanobinders’ som danner et jevnt lag av bismuttelluridark, og øker både fleksibilitet og effektivitet.

Bismuttellurid (Bi2Te3) er et populært materiale som forskere bruker til å bygge slike enheter. Det grå pulveret er en forbindelse av bismutt og tellur. Den kjemisk stabile halvlederen viser fremragende egenskaper som omdanner varme til elektrisitet, noe som gjør den ideell for lavstrømsapplikasjoner som bevegelse, hjertefrekvens og temperaturmålere.

Dermed laget QUT-teamet en utskrivbar film i A4-størrelse “med rekordhøy termoelektrisk ytelse, eksepsjonell fleksibilitet, skalerbarhet og lav kostnad, og gjør den til en av de beste fleksible termoelektriske tilgjengelige,” sa professor Chen.

Den utskrivbare filmen fra QUT-teamet består av Bi2Te3-baserte nanoplater som høyt orienterte korn og Te-nanorør som “nanobinders”. 

Teknikken som ble brukt her var “solvotermisk syntese,” som danner nanokrystaller i et løsningsmiddel under høy temperatur og trykk. Denne teknikken ble kombinert med “sintering,” som varmer filmene til nesten smeltepunkt for å binde partiklene sammen, og “silketrykk,” som muliggjør storskalaproduksjon av film.

Metoden som teamet brukte kan også fungere med andre uorganiske systemer som sølvselenid (Ag2Se)-baserte termoelektriske materialer, som potensielt er billigere og mer bærekraftige enn konvensjonelle materialer, og viser teknikkens brede anvendelighet.

“Denne fleksibiliteten i materialer viser de brede mulighetene vår tilnærming gir for å fremme fleksibel termoelektrisk teknologi.”

– Studieens første forfatter, Wenyi Chen

Enheten, ifølge studien, oppnådde en normalisert effektetthet på >3 μW cm−2 K−2, noe teamet sier er “blant de høyeste blant silketrykte enheter.” 

Med dette gir den nyeste forskningen en kraftig løsning for wearables som smartklokker og personlig termisk styring. I tillegg til å drive wearables, kan disse termoelektriske enhetene også brukes i trange rom, som inne i en mobiltelefon, for å hjelpe med å kjøle brikker og forbedre ytelsen. 

For eksempel, når den påføres inne i en enhet, kan filmen senke brikkens temperatur med opptil 11,7 Kelvin, og dermed bidra til å opprettholde optimal ytelse i elektroniske enheter. 

Hvis teamet lykkes med å forbedre ytelsen til denne fleksible elektriske enheten, vil de kunne drive smarttelefoner i fremtiden direkte, uttalte Chen i den offisielle videoen med tittelen, “Breakthrough brings body-heat powered wearable devices closer to reality,” lagt ut på universitetets YouTube-kanal.

Andre potensielle anvendelser av enheten inkluderer klimaanlegg og ventilasjon. QUT-forskningsgruppen ser også for seg bruk av termoelektriske enheter i smartklær og bilkomponenter.

Dette er bare begynnelsen, men; i neste steg vil teamet fokusere på å optimalisere teknologens ytelse og skalere den. Å kommersialisere teknologien krever tross alt å overvinne utfordringene med kostnadseffektivitet i stor skala, holdbarhet og integrasjon med eksisterende enheter.

Videre forskning og kontinuerlig utvikling vil hjelpe disse enhetene med å revolusjonere energieffektiviteten i ulike sektorer, fra forbrukerelektronikk til medisinske og bilrelaterte anvendelser.

Klikk her for å lære hvordan helse-wearables fremmer forebyggende omsorg.

Fremskritt innen wearables-teknologi

I dagens teknologisk avanserte verden har bærbare enheter dukket opp som en populær og svært fordelaktig innovasjon. 

Wearables er enkelt mobile elektroniske enheter som er designet for å bæres på kroppen eller festes til klær. Noen av de vanlige typene av wearable-teknologi inkluderer smartklokker, smarte briller og smart smykker som ringer og armbånd. Disse enhetene sporer, analyserer og overfører personlig data.

En av de mest fremtredende anvendelsene av wearables har blitt funnet innen helsevesenet. De kan brukes til å overvåke kroppstemperatur, blodtrykk, hjertefrekvens og andre vitale tegn. Bruken av disse enhetene strekker seg også til fysiologiske sykdommer som hypertensjon og muskelsykdommer samt nevrokognitive lidelser som Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom. Wearables blir også brukt som et legemiddelleveringssystem, som hjelper med å personalisere helsehjelp. 

Ulike typer bærbare enheter blir for tiden brukt innen helsefeltet. Dette inkluderer hudbaserte wearables som e-skin, bærbare vester, smarte ringer, øretelefoner og biofluidiske enheter som bruker spytt, tårer og urin. 

I tillegg til helsevesenet brukes wearables til å kommunisere med andre, foreta betalinger og spore aktivitetsnivåer, samt innen livsstil, spilling, sport, trening, sikkerhet og forsvarssektorer.

Gjennom årene har wearable-teknologi utviklet seg på ulike måter. For det første leter forskere og selskaper alltid etter bedre materialer for å bygge disse enhetene. Fleksible, strekkbare materialer og myke, ultratynne design gjør at disse enhetene kan bæres komfortabelt og opprettholde funksjonaliteten.

For eksempel leder galliumbaserte flytende metaller, som har høy ledningsevne og biokompatibilitet, veien for bioelektronikk som passer bedre med kroppen.

Når det gjelder design, har teknologien utviklet seg betydelig fra konvensjonelle metoder, med større fokus på å integrere dem sømløst med menneskekroppen. E-tatoveringer er et godt eksempel på dette; de er ekstremt tynne, hudmyke elektronikker som tilpasser seg huden og kan ikke-invasivt digitalisere fysiologisk og psykologisk informasjon.

Miniatyrisering av disse enhetene, sammen med trykt elektronikk og intelligente stoffer, har ført til sensorer som kan overvåke en rekke fysiske parametere mens elektroder blir integrert i tekstiler for å måle aktivitet. For eksempel overvåker bærbare svettesensorer kontinuerlig og ikke-invasivt helsemålinger gjennom svette for å styrke presisjonsmedisin. 

Kilde: MDPI

Mye fremgang skjer også innen bærbare smarte kjemiske sensorer, som får økende anvendelse innen helsevesen, miljøovervåking og sikkerhetsvurdering. 

Ulike innovative tilnærminger har blitt tatt i sensorutforming og -fremstilling, med et slikt system designet for å oppdage NO2 ved å inkorporere en polyvinylalkohol/boraks/agarose/NaNO3-elektrolytt og flerveggede karbonnanorør-elektroder på gull-nanosheets. Systemet viser forbedret ytelse og selvreparerende egenskaper, noe som gjør det perfekt for bærbare anvendelser.

Overvinne begrensninger i wearable-teknologi

Med alle disse innovasjonene som hjelper bærbare enheter med å bli bedre og mer effektive, har de begynt å transformere ulike industrier, spesielt helsevesenet. Imidlertid lider de av begrensninger som stabilitet og personvern. 

For eksempel kan dataene som mottas fra sensorene i disse wearables oppleve forvrengning og støy på grunn av konstant kroppslig bevegelse. 

Batterier som brukes i wearables utgjør en annen betydelig utfordring. Begrensningene i strømkilder har fått forskere til å utforske ulike løsninger, som piezoelektriske nanogeneratorer (PENG), som fungerer som selvforsynte sensorer, og triboelektriske nanogeneratorer (TENG), som fungerer som miniaturiserte energihøster.

Thermoelektriske generatorer har spesielt fått mye oppmerksomhet innen wearable-teknologi. Tilbake i 2017 publiserte forskere fra Zhejiang University og Xidian University en artikkel om design av en bærbar termoelektrisk generator for å høste energien fra menneskekroppen. 

Akkurat som den nyeste forskningen, benyttet også denne Bi2Te3-basert termoelektrisk materiale for å lage en enhet som kunne generere en spenning på 48 mV for en temperaturforskjell på 12 K. Når den ble festet på huden på menneskets håndledd, var den termoelektriske generatorens utgangseffekt 130,6 nW ved en omgivelsestemperatur på 25 °C, noe som demonstrerer potensialet for å høste kroppens varmeenergi og utvikle bærbare selvforsynte mobil enheter.

En annen studie gjorde fremskritt i design av termoelektriske generatorer (TEG) for kroppvarme‑høsting. Problemet er at det er en temperaturforskjell på 10–15 °C mellom kroppstemperaturen og omgivelsestemperaturen, men kun en liten del passerer gjennom en bærbar TEG på grunn av hudens termiske motstand.

For å overvinne utfordringene for bærbare TEG‑er, ble en omfattende quasi‑3D analytisk modell utviklet, og deretter ble en mikrobølgebehandlingsmetode brukt for å syntetisere høyytelses termoelektriske nanokompositter, noe som førte til en sterk reduksjon av den termiske ledningsevnen og resulterte i TEG‑er som viser 4–7 ganger høyere effektetthet enn kommersielle TEG‑er på menneskekroppen.

Bare i år har flere forskningsstudier blitt publisert med fokus på termoelektriske enheter for wearables. 

For noen måneder siden utviklet forskere fra University of Washington også en svært fleksibel og myk prototype som kan høste energi fra kroppens varme og omdanne den til elektrisitet, som deretter kan drive små elektroniske enheter. For sine fleksible termoelektriske enheter (TED), brukte UW‑teamet 3D myke arkitekturer, stive halvledere, multifunksjonelle kompositter og selvhelbredende flytende metallledere.

I tillegg til energihøsting har fokuset i alle disse studiene vært på utvikling av lette og fleksible termoelektriske materialer, design av tilpassbare overflater som passer ulike kroppsdeler, forbedring av funksjonaliteten til wearables, samt oppnåelse av kostnadseffektivitet og skalerbarhet.

Det raskt voksende wearables-markedet

Fremskritt innen wearable-teknologi og den påfølgende økningen i funksjonalitet har økt adopsjonen av disse enhetene. Den økende interessen for wearables har markedet projisert til å vokse forbi $150 milliarder før dette tiåret er over.

Markedet for wearables som smartklokker og treningssporere har spesielt vært i vekst en stund. De opplevde en boom under pandemien da personlig helse ble alles fokus. Disse enhetene legger også til et økende antall måleparametre, og etter hvert som de nærmer seg et medisinsk apparat, adopterer flere og flere forbrukere dem.

Bortsett fra fitness og helse, viser teknologigiganter spesiell interesse for virtuelle, utvidede og blandede virkelighets-wearables (VR, AR & MR). Smartklær og e‑tekster har også fått oppmerksomhet, men fortsetter å møte utfordringer knyttet til produksjons skalerbarhet og produktøkonomi. 

Interessant nok forventes markedet for wearable betalingsløsninger å vokse i raskt tempo, med en CAGR på 13,6 % til $120 milliarder. Denne veksten drives av adopsjonen av nærfeltskommunikasjon (NFC) i smarttelefoner, treningssporere og andre wearables,

Produkttypene innen wearable-teknologi inkluderer også elektroniske hudlapper, brystbelter, smarte kontaktlinser og bærbare kameraer, som også er av interesse.

Ifølge en nylig rapport forventes utsendelsene av wearables globalt å vokse mer enn 6 % år for år (YoY) i år til nesten 538 millioner enheter. Denne veksten drives av en forbedrende økonomi og økende adopsjon av wearables i fremvoksende regioner.

Denne veksten vil imidlertid være ulik på tvers av sektorer, med wearables, som representerer over 60 % av wearables-markedet, forventet å få et løft når prisene stabiliseres. Smartklokker, derimot, forventes å se en nedgang på 3 %, den første YoY‑nedgangen, selv om de er projisert til å komme seg til 4,8 % vekst neste år. Dette skyldes stigende priser og minimale designendringer.

Fremvoksende wearables-enheter 

Når det gjelder fremvoksende wearables-enheter, leder fitness- og helse-sektorene an. 

Innen helsevesenet transformerer bærbare elektrokardiogram (ECG)-enheter, som finnes i smartklokker og lapper, fjernbasert hjertepleie. Disse enhetene kobles til apper som lagrer ECG-data, som leger kan gjennomgå på avstand og deretter tilby proaktiv helsestyring, noe som fører til sunnere livsstil. 

Dagens wearables gjør også mulig kontinuerlig innsamling av vitale tegn ved hjelp av avanserte sensorer som gir sanntidsdata om brukerne. For eksempel gir kontinuerlig glukoseovervåking (CGM) sanntidsinnsikt i blodsukkernivåer, slik at pasienter kan overvåke helsen sin fra komforten av hjemmet.

Et økende fokus blant selskaper ses også på pulsmåling. Smartklokker som Casio G‑Shock Rangeman er utstyrt med en pulsmåler for nøyaktig å oppdage kroppens bevegelse samt endringer i det naturlige miljøet med hjelp av GPS og sensorer. Deretter finnes Garmins (GRMN ) pulsmålere, som har et komfortabelt design som lar kvinner feste dem direkte på sport‑BH‑ene.

Som vi kan se, er enkel tilgang definitivt hovedfokuset for teknologiselskaper som utvikler wearables. Dette gjelder også Oura smart‑ringer, som kan bæres på en finger. Båndet er utstyrt med en 3D‑akselerometer for å bestemme bevegelse, en NTC‑sensor for å observere kroppstemperaturen, og en PPG‑sensor for å spore pulsen. 

Deretter er det Evie Smart Ring, som har tatt en kvinne‑først tilnærming i designet ved å muliggjøre sporing av søvn, hjertehelse og menstruasjonssykluser. Bærbare biosensorer tilbyr imidlertid lovende veier for stresshåndtering ved å oppdage subtile endringer i biomarkører som kortisolnivåer. 

Selskaper bygger også hodetelefoner som veileder brukerne under trening, mens spesielle hansker som GyroGlove er laget for Parkinson‑pasienter for å redusere skjelvinger og forbedre livskvaliteten.

I underholdningsverdenen gjør wearables som Xreal Air det mulig for brukere å se innhold og spille spill, mens Meta sine (META ) smarte briller muliggjør innholdsproduksjon og deling. Deretter finnes wearables som Ai Pin, som kjører på en åtte‑kjerners, 2,1 GHz Qualcomm (QCOM ) ‑prosessor og kan ta bilder, sende tekstmeldinger og svare på samtaler.

Klikk her for å lære om termisk ørepynt.

Selskaper som dominerer wearables-sektoren

Når det gjelder selskaper, har Apple (AAPL ) ledet sektoren takket være sin robuste portefølje av smarte produkter som Apple Watch. Viktige helsemålinger som dekkes av klokken inkluderer hjertefrekvens, respirasjonsfrekvens, håndleddstemperatur, blodoksygen og søvnlengde.

Verdens største selskap etter markedsverdi på $3,75 billioner har for tiden aksjene sine handlet til $248, opp 28,88 % i år. Apple har en EPS (TTM) på 6,07 og en P/E (TTM) på 40,88 med en utbytteavkastning på 0,40 %. For kvartalet som avsluttet 28. september 2024, da selskapet lanserte iPhone 16‑serien, AirPods 4 og Apple Watch Series 10 med funksjoner for hørselshelse og søvnapné‑deteksjon, rapporterte teknologigiganten en omsetning på $94,9 billion.

I mellomtiden fanger Google wearables-markedet gjennom Fitbit, som de kjøpte i 2021. Det kinesiske selskapet Huawei lanserte også sitt TruSense‑system i år for å drive kommende wearables. Andre bemerkelsesverdige navn i sektoren inkluderer Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), og Garmin.

Konklusjon

Wearable‑teknologi er et raskt voksende marked som får stor interesse og utvikling. Videre baner gjennombrudd innen termoelektrisk teknologi, som oppnådd av QUT‑teamet, vei for en mer avansert fremtid hvor disse enhetene ikke lenger er avhengige av batterier, noe som fører til lettere og mer effektive wearables. 

Men selv om alle disse fremskrittene i materialer og design driver det globale wearables‑markedet, finnes det fortsatt utfordringer knyttet til kostnad, skalerbarhet og holdbarhet. Det er kun gjennom ytterligere innovasjon, fortsatt samarbeid og økte investeringer at alle disse gjennombruddene kan tas i bruk i praktiske anvendelser og integreres i vårt daglige liv!

Klikk her for en liste over topp wearables-selskaper for helsesporing å investere i.