Poderemos Em Breve Alimentar Nossos Dispositivos Eletrônicos com Coletores de Energia Vestíveis?

Tornando Dispositivos Eletrônicos Flexíveis

Com os smartphones, nos acostumamos a carregar eletrônicos conosco o tempo todo. No entanto, isso ainda é feito com um bloco volumoso de metal e plástico, que, se algo, está ficando maior e mais pesado a cada ano.

O próximo passo seria incorporar dispositivos eletrônicos em nossas roupas de forma mais fluida. Isso já começou com eletrônicos vestíveis como smartwatches e outros wearables focados em saúde.

Um passo adiante seria integrar eletrônicos diretamente em nossas roupas. Mas, para isso, eles precisariam ser muito flexíveis e leves. Houve um progresso sólido nessa direção:

• Telões dobráveis agora são rotineiramente integrados em smartphones de alto padrão pela Samsung e Huawei.
• Baterias dobráveis e extensíveis feitas de polímeros estão sendo desenvolvidas.
• Microprocessadores também podem ser dobrados.

Portanto, se telas, baterias e até processadores já são flexíveis e dobráveis, o que ainda nos impede de ter wearables integrados às nossas roupas? Alimentá‑los ainda é um obstáculo sério.

Mas isso pode mudar, graças a uma descoberta de pesquisadores coreanos do Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), da Universidade Hannam, da Universidade Yonsei, do Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), do Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) e da Universidade Nacional de Jeonbuk.

Eles desenvolveram um coletor de energia vestível que é 280 vezes mais eficiente que dispositivos convencionais, usando um novo tipo de coletor de energia piezoelétrica.

Foi publicado na ACS Nano, sob o título “Design de Eletrodo de Acoplamento Específico à Curvatura para um Nanogerador Piezoelétrico Inorgânico Tridimensional Extensível¹”.

Dispositivos Triboelétricos e Piezoelétricos

Coletores de energia são sistemas que produzem energia a partir de movimentos. Existem basicamente dois tipos, baseados em se funcionam pelo efeito triboelétrico ou pelo efeito piezoelétrico.

Geradores triboelétricos são o que geralmente se chama eletrostático, ou o que acontece quando dois objetos se tocam ou deslizam um contra o outro. Isso pode gerar alguma eletricidade, mas costuma ser fraco demais para alimentar eletrônicos.

Piezoelétrico é o efeito de gerar eletricidade em resposta a estresse mecânico como dobrar, comprimir, etc. Até agora, a maioria dos coletores de energia piezoelétrica foi feita usando materiais piezoelétricos orgânicos ou compostos, que têm baixa eficiência energética.

A equipe do Prof. Jang estava usando outro tipo de material: titanato de zirconato de chumbo (PZT).

Fonte: DGIST

Gerador Piezoelétrico de PZT

Sabe‑se há muito tempo que o PZT tem excelente desempenho piezoelétrico, mas também é duro e frágil. Portanto, usá‑lo em dispositivos extensíveis e contar com o movimento para gerar energia era improvável de criar um gerador durável para wearables.

Assim, os pesquisadores investigaram como projetar uma estrutura 3D baseada em PZT que fosse insensível à deformação e garantisse extensibilidade, mantendo a capacidade piezoelétrica.

O primeiro passo foi criar um eletrodo curvo com forma convexa que produz energia quando esticado.

Fonte: ACS Nano

Em seguida, eles montam fios desses eletrodos entre si, semelhante à malha de um tecido ou a uma cesta de vime.

Fonte: ACS Nano

Alisando Problemas

Como os eletrodos são entrelaçados, eles poderiam facilmente cancelar uns aos outros. Para evitar isso, os eletrodos foram divididos em regiões convexas e côncavas de acordo com a direção da tensão de saída induzida.

A corrente pode ser gerada por qualquer movimento do corpo, como testaram os pesquisadores no joelho, na mão ou até nos dedos.

Fonte: ACS Nano

Isso criou um gerador piezoelétrico muito eficiente, exibindo tanto extensibilidade extrema quanto a maior densidade de corrente para qualquer dispositivo desse tipo.

Fonte: ACS Nano

“Desenvolver esta tecnologia de coletor de energia piezoelétrica extensível e altamente eficiente é uma grande conquista desta pesquisa. Esperamos que esta tecnologia se torne útil após a comercialização e conduza ao uso prático de coletores de energia vestíveis.”

Prof. Kyung-In Jang – Departamento de Robótica e Engenharia Mecatrônica da DGIST

Aplicações

Dispositivos Vestíveis

A aplicação mais direta seria alimentar eletrônicos integrados às roupas quando nos movemos, como ao caminhar.

Isso poderia ser útil para dispositivos vestíveis, especialmente dispositivos de monitoramento de saúde que não dependeriam de carregamento regular de bateria.

Implantes Médicos

Um tipo específico de implante poderia se beneficiar enormemente desse tipo de gerador: implantes cardíacos.

O coração está em constante movimento e contração, o que pode fornecer uma fonte de energia estável para tais implantes médicos.

Os pesquisadores testaram o conceito encapsulando o gerador em um filme de poliamida. Isso foi necessário para isolar efetivamente o PZT de biofluidos e tecidos, já que o PZT pode ser tóxico.

Fonte: ACS Nano

Militar

Outra aplicação poderia ser no âmbito militar, com a infantaria cada vez mais dependente de sensores que consomem muita energia, comunicações, guerra eletrônica, etc.

E não é prático esperar que unidades de combate lidem com uma confusão de cabos e baterias. Ao mesmo tempo, elas já precisam manejar suas armas, munições, soluções de telecomunicação, etc. Um gerador piezoelétrico conectado diretamente a eletrônicos flexíveis no uniforme dos soldados poderia ser uma boa alternativa.

Investindo em Dispositivos Vestíveis

A tecnologia vestível deve crescer a 14,6% CAGR até 2030, a partir de US$ 61,2 bi em 2022.

Fonte: Grand View Research

Você pode investir em empresas relacionadas a wearables através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas, pode também considerar ETFs como o iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) ou o SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), que proporcionarão uma exposição mais diversificada para capitalizar o crescimento da indústria de wearables e dispositivos médicos.

Você também pode consultar nosso artigo “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Empresa de Wearables

Construindo Wearables

Uma forma de construir eletrônicos flexíveis é usando polímeros. Outra maneira é usar um metal muito flexível e não tóxico, o gálio, que discutimos em um relatório de investimento dedicado.

A energia solar, além do efeito piezoelétrico, também poderia carregar wearables flexíveis. Isso poderia ser alcançado usando células solares de perovskita ou tecnologia fotovoltaica orgânica ultrafina.

A Philips é uma marca de eletrônicos de consumo bem conhecida (aparelhos de barbear, escovas de dente elétricas), igualmente ativa na área de saúde. Foi a número 1 em registro de patentes MedTech na Europa em 2022.

Está ativa em produtos médicos conectados, desde wearables até imagens, respiradores ou robôs médicos. A empresa também atua em semicondutores (incluindo tecnologia maglev) e em alta tecnologia/robótica/automação.

Fonte: Philips

Os wearables da Philips oferecem monitoramento cardíaco, respiratório e de atividade. Seus sensores podem ser integrados a smartwatches, monitores de saúde, patches médicos e rastreadores de atividade.

Em relação aos wearables, a Philips prefere uma solução de parceria, onde desenvolve para terceiros “seus” dispositivos médicos IoT (Internet das Coisas) totalmente compatíveis com o restante das soluções da Philips. Nesse contexto, oferece aos clientes prototipagem, consultoria regulatória, desenvolvimento de produto de ponta a ponta e produção em escala industrial.

Isso torna a Philips uma empresa focada em tecnologia e uma provável candidata a integrar rapidamente inovações como geradores piezoelétricos flexíveis em dispositivos médicos existentes.

Em 2023, os dispositivos da Philips afetaram diretamente 1,82 bilhão de pessoas.

A empresa deseja criar um ambiente de saúde digital totalmente integrado, onde sensores correspondam a dispositivos, e então usar múltiplas soluções de conectividade para integrar à solução Philips HealthSuite Cloud e permitir análises de dados aprofundadas.

Fonte: Philips

Como fornecedor da indústria MedTech, a Philips não é tão visível no setor quanto outras empresas mais proeminentes. Contudo, é especialista em construir dispositivos eletrônicos e sensores de alto desempenho, frequentemente ultrapassando os limites do que é possível em seu nicho de saúde e wearables.

Com os wearables cada vez mais integrados à saúde e aos protocolos médicos, o segmento de Healthcare da Philips provavelmente crescerá como parte do conglomerado.

Referência do Estudo:

^{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). Design de eletrodo de acoplamento específico à curvatura para um nanogerador piezoelétrico inorgânico tridimensional extensível. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}