Coletores de Energia Háptica Permitem que Você Seja Seu Próprio Banco de Baterias

Você deve ter ouvido os termos Energia Háptica ou Feedback Háptico. O termo tem sido usado com frequência nestes tempos de tecnologia vestível. Em 2024, um volume enorme de 534 milhões de unidades vestíveis foram enviadas globalmente.

Essas unidades incluíam uma grande variedade de itens eletrônicos, como smartwatches, rastreadores de fitness, fones de ouvido, dispositivos de realidade estendida, ou seja, headsets de realidade virtual e óculos de realidade aumentada. Com o surgimento da eletrônica vestível, surgiu um paradigma de energia háptica.

Nas últimas quatro décadas, o principal método de comunicação na eletrônica tem sido o feedback auditivo ou visual, com a linguagem principal de comunicação sendo som e luz. Mas hoje, o feedback háptico tornou-se outra forma de a eletrônica se comunicar com os seres humanos, usando seu sentido de toque.

Smartphones, smartwatches, rastreadores de fitness – todos esses sistemas portáteis alimentados por bateria podem usar hápticos. Como aplicação, tem seu lugar bem estabelecido em consumidores, indústrias e automóveis, como smartphones, tablets, mouses, caixas eletrônicos e sistemas de infoentretenimento automotivo. 

Agora, uma equipe de pesquisadores aplicou com sucesso energia háptica a dispositivos vestíveis¹. Ao falar sobre o objetivo de sua pesquisa e a importância do que ela poderia alcançar, Saad Khan, coautor correspondente e Professor INVISTA de Engenharia Química e Biomolecular na NC State, disse o seguinte:

“Então iniciamos uma série de experimentos para explorar se poderíamos usar anfifílicos para modificar materiais e incorporá-los em coletores de energia háptica.” 

Para saber mais sobre a pesquisa e suas conquistas, aprofundaremos o assunto no próximo segmento. 

Comprimindo Anfifílicos Montados em Superfícies Escorregadias para Coletores de Energia Háptica Ajustáveis

Fonte: NC State University

Os pesquisadores perceberam que um desafio recorrente ao extrair energia do movimento ambiente era que os dispositivos devem manter alta eficiência de coleta e uma experiência positiva ao usuário quando sua interface passa por compressão dinâmica. Os pesquisadores demonstraram que pequenos anfifílicos podem ser usados para ajustar o atrito, os hápticos e as propriedades triboelétricas ao montá-los em conformações específicas na superfície dos materiais. Anfifílicos são moléculas frequentemente usadas em produtos de consumo para reduzir o atrito contra a pele humana. Por exemplo, essas moléculas são frequentemente incorporadas em fraldas para evitar assaduras. 

Ao falar sobre a busca e as motivações que a impulsionaram, Lilian Hsiao, autora correspondente de um artigo sobre o trabalho e professora associada de engenharia química e biomolecular na North Carolina State University, disse o seguinte:

“Propusemos desenvolver um modelo que nos desse uma compreensão fundamental detalhada de como diferentes anfifílicos afetam o atrito superficial de diferentes materiais.”

Os pesquisadores observaram que moléculas que formam múltiplos planos de deslizamento sob pressão, especialmente por empilhamento π-π, produzem 80 a 90% menos atrito do que aquelas que formam mesoestruturas desordenadas. Como resultado, os pesquisadores propuseram uma estrutura de dimensionamento para suas propriedades de redução de atrito que consideram adesão e mecânica de contato.

Ao alcançar seu objetivo, os pesquisadores perceberam que superfícies revestidas com anfifílicos tendiam a resistir ao desgaste e gerar percepção tátil distinta, com os humanos preferindo materiais mais escorregadios. Em outro nível, os pesquisadores também puderam melhorar a saída triboelétrica usando anfifílicos com alta afinidade eletrônica.

No total, moléculas que podem auto-organizar-se em planos escorregadios sob pressão representam uma maneira fácil de avançar o desenvolvimento de coletores de energia háptica em escala. Para explicar em termos mais práticos, os pesquisadores descobriram que era possível usar anfifílicos para criar tecidos vestíveis com superfícies escorregadias que se sentiam bem contra a pele humana. 

Além disso, os pesquisadores descobriram que alguns anfifílicos, devido às suas propriedades eletrônicas inerentes, poderiam atuar como doadores de elétrons. Esses anfifílicos doadores de elétrons, quando incorporados em materiais vestíveis, resultaram em um material confortável capaz de gerar eletricidade através do atrito produzido ao esfregar contra a pele humana ou outras superfícies.  

Resumindo, como Hsiao destacou, nos testes de prova de conceito, os pesquisadores descobriram que esses materiais anfifílicos não apenas se sentiam bem na pele, mas podiam gerar até 300 volts, o que foi notável para um pequeno pedaço de material.

De acordo com Saad Khan:

“Estamos interessados em fazer mais para usar esses materiais, como explorar como eles podem ser incorporados em dispositivos hápticos existentes. E estamos abertos a trabalhar com parceiros da indústria para identificar novas aplicações.”

Embora a pesquisa e sua adoção industrial devam andar de mãos dadas, já existem várias empresas profundamente envolvidas na pesquisa de produtos que coletariam energia do corpo para alimentar dispositivos de tecnologia vestível. Nos segmentos a seguir, discutimos algumas dessas empresas pioneiras que poderiam se beneficiar de pesquisas como a que discutimos. 

1. Medtronic PLC

Uma das empresas que tem trabalhado extensivamente com tecnologia vestível é Medtronic. Esse grande gigante público de med-tech é talvez um dos melhor posicionados para aproveitar coletores de energia háptica. 

Uma das ofertas mais significativas da Medtronic é o BioButton, um dispositivo vestível de grau médico, multiparamétrico, projetado para monitoramento inteligente de pacientes. Ele fornece dados de tendência sobre sinais vitais e biométricos chave, servindo como um indicador precoce de declínio do paciente.

Projetado para monitoramento contínuo dos principais indicadores de declínio do paciente, o monitor pode medir a frequência respiratória em repouso, a frequência cardíaca em repouso, a temperatura da pele e uma série de biométricas. O vestível possibilitou que os pesquisadores explorassem dados de tendência para ajudar os clínicos a identificar pacientes que podem precisar de intervenção clínica e aqueles que podem estar prontos para alta.

Em 2022, a Medtronic firmou uma parceria estratégica com a BioIntelliSense, uma empresa de monitoramento contínuo de saúde e inteligência clínica, para os direitos exclusivos de distribuição nos hospitais dos EUA e de 30 dias pós-agudo hospital-para-casa do BioButton. 

Durante o anúncio da parceria, Frank Chan, Ph.D., presidente do negócio de Monitoramento de Pacientes, que fazia parte do Portfólio Médico Cirúrgico da Medtronic, disse o seguinte:

“Nossa visão é capacitar clínicos e pacientes com insights acionáveis para personalizar o cuidado — a qualquer hora, em qualquer lugar. Por meio da nossa colaboração com a BioIntelliSense, apoiaremos cuidados contínuos e conectados, do hospital ao lar, e expandiremos nosso alcance para ajudar mais pacientes em mais lugares do que nunca.”

Sendo uma das empresas de med-tech mais significativas do mundo, a Medtronic é talvez a mais bem posicionada para se beneficiar de pesquisas como a que discutimos. Em maio de 2024, a Medtronic anunciou resultados financeiros para seu quarto trimestre e ano fiscal de 2024. A empresa reportou uma receita do Q4 de US$ 8,6 bilhões, um aumento de 0,5% conforme relatado e 5,4% orgânico. A empresa reportou uma receita do FY 24 de US$ 32,4 bilhões, um aumento de 3,6% conforme relatado e 5,2% orgânico. 

2. Philips

Assim como a Medtronic, outro gigante tecnológico que investiu muito em P&D para desenvolver tecnologia vestível de ponta é a Philips. As soluções de monitoramento vestíveis para pacientes da Philips dão aos pacientes a liberdade de se moverem pela unidade de cuidados ou pelo hospital.

Projetados para conforto, os dispositivos vestíveis para pacientes da Phillips utilizam tecnologia sem fio para transmitir dados e alarmes onde são necessários, como em uma área central de enfermagem, área de observação remota ou no dispositivo móvel do cuidador. Os dispositivos apresentam uma variedade de capacidades de medição para atender às necessidades clínicas de populações de pacientes de cuidados gerais e intermediários. 

O nome da marca do produto é Intellivue MX40. Os usuários podem operar o IntelliVue MX40 com baterias AA descartáveis ou uma única bateria recarregável da Philips. O dispositivo permite obter informações de ECG de 12 derivações enquanto monitora continuamente ST e QT, FAST SpO2 e respiração por impedância. Com até 5 formatos de tela, as informações necessárias estão prontamente disponíveis com um único toque.

O dispositivo possui uma conexão sem fio de curto alcance com monitores IntelliVue para capturar sinais vitais ou para visualização mais abrangente. O dispositivo apresenta um conector de cabo exclusivo projetado para reduzir a coleta de sujeira e líquidos e um design de caixa que resiste a desinfetantes de alto nível, incluindo esterilização periódica.

De acordo com as informações mais recentes disponíveis, em 2023, Philips registrou 18,2 bilhões de euros de vendas, com crescimento de vendas comparáveis de 6% e margem EBITA ajustada de 10,6% 

Embora grandes empresas de tecnologia como Medtronic e Philips estejam desenvolvendo produtos que podem se beneficiar significativamente de Coletores de Energia Háptica, várias outras organizações de pesquisa têm trabalhado na mesma linha. 

Nos próximos segmentos, discutimos alguns desses estudos de pesquisa que têm o potencial de revolucionar as aplicações nesta área.

Protótipo Eletrônico que Coleta Energia do Calor Corporal e a Converte em Eletricidade

Em setembro de 2024, surgiram relatos de pesquisadores da Universidade de Washington desenvolvendo um protótipo eletrônico flexível e durável capaz de coletar energia do calor corporal e convertê-la em eletricidade para alimentar pequenos eletrônicos, como baterias, sensores ou LEDs. A resiliência do dispositivo o mantém utilizável mesmo após ser perfurado várias vezes e esticado até 2000 vezes. 

De acordo com o autor sênior Mohammad Malakooti, professor assistente de engenharia mecânica da UW:

“Quando você coloca este dispositivo na pele, ele usa o calor do seu corpo para alimentar diretamente um LED. Assim que você coloca o dispositivo, o LED acende. Isso não era possível antes.”

Para detalhar funcionalmente, o dispositivo possui três camadas principais. A camada central contém semicondutores termoelétricos rígidos que convertem calor em eletricidade. Esses semicondutores são cercados por compósitos impressos em 3D com baixa condutividade térmica, o que aumenta a conversão de energia e reduz o peso do dispositivo.

Além disso, para proporcionar elasticidade, condutividade e autorreparo elétrico, os semicondutores são conectados por trilhas de metal líquido impressas. Além disso, gotículas de metal líquido incorporadas nas camadas externas melhoram a transferência de calor para os semicondutores e mantêm a flexibilidade, pois o metal permanece líquido à temperatura ambiente.

Ao falar sobre os benefícios da tecnologia e seu propósito maior, Mohammad Malakooti disse o seguinte:

“Isso pode ser especialmente útil em data centers, onde servidores e equipamentos de computação consomem eletricidade substancial e geram calor, exigindo ainda mais energia para mantê-los refrigerados. Nossos dispositivos podem capturar esse calor e reutilizá-lo para alimentar sensores de temperatura e umidade.”

Ele acrescentou:

“Essa abordagem é mais sustentável porque cria um sistema independente que monitora as condições enquanto reduz o consumo geral de energia. Além disso, não há necessidade de se preocupar com manutenção, troca de baterias ou adição de novas fiações.”

No futuro, os pesquisadores estavam otimistas quanto à aplicação dessa tecnologia em sistemas de realidade virtual e outros acessórios vestíveis para criar sensações de calor e frio na pele ou melhorar o conforto geral. 

Três anos antes disso, em outubro de 2021, pesquisadores da CU Boulder tiveram um avanço semelhante. Analisaremos essa pesquisa no próximo segmento.

Clique aqui para saber sobre o tecido inteligente que converte o calor corporal em energia.

Dispositivo Vestível que Transformou o Corpo em uma Bateria

Researchers at CU Boulder criaram um novo dispositivo vestível de baixo custo que poderia transformar o corpo humano em uma bateria biológica. 

Uma das características mais atraentes do dispositivo era que ele era suficientemente elástico para ser usado como anel, pulseira ou qualquer outro acessório que tocasse a pele do usuário. Ele aproveitava o calor natural da pessoa — usando geradores termoelétricos para converter a temperatura interna do corpo em eletricidade. 

O dispositivo poderia gerar cerca de 1 volt de energia para cada centímetro quadrado de pele — menos voltagem por área do que a maioria das baterias existentes, mas ainda suficiente para alimentar eletrônicos como relógios ou rastreadores de fitness. 

Os pesquisadores usaram uma base feita de um material elástico chamado polimina e então inseriram uma série de chips termoelétricos finos nessa base, conectando todos com fios de metal líquido. O produto final parecia uma mistura entre uma pulseira de plástico e uma placa-mãe de computador miniaturizada ou talvez um anel de diamante tecnológico.  

A solução era flexível o suficiente para que sua potência fosse aumentada ao adicionar mais blocos de geradores. Um dos pesquisadores comparou a solução com a forma como lidamos com Legos:

“É como juntar vários pequenos blocos de Lego para fazer uma estrutura grande. Isso oferece muitas opções de personalização.”

Filme Ultra-Fino e Flexível Alimentando Vestíveis de Próxima Geração

Uma pesquisa mais recente, liderada por uma equipe da Queensland University of Technology, desenvolveu um filme ultra-fino e flexível que poderia alimentar dispositivos vestíveis de próxima geração usando o calor corporal, eliminando a necessidade de baterias.

Além disso, a tecnologia poderia resfriar chips eletrônicos, ajudando smartphones e computadores a funcionarem de forma mais eficiente.

De acordo com o Professor Zhi-Gang Chen, cuja nova pesquisa da equipe foi publicada na prestigiosa revista Science:

“Dispositivos termoelétricos flexíveis podem ser usados confortavelmente na pele, onde convertem efetivamente a diferença de temperatura entre o corpo humano e o ar ambiente em eletricidade.”

Ao falar sobre a aplicação potencial dessa tecnologia, o Professor Chen destacou que ela poderia ser aplicada em espaços restritos, como dentro de um computador ou telefone móvel, para ajudar a resfriar chips e melhorar o desempenho. 

Outras aplicações incluíam gerenciamento térmico pessoal, onde o calor corporal poderia alimentar um sistema vestível de aquecimento, ventilação e ar condicionado. Os pesquisadores citaram alguns desafios que também eram verdadeiros para inovações semelhantes. Esses desafios incluíam flexibilidade limitada, fabricação complexa, altos custos e desempenho insuficiente.

No entanto, a pesquisa que estamos discutindo ofereceu algumas soluções em termos de gerenciamento de custos. Enquanto a maioria das pesquisas nesta área se concentrou em termelétricos à base de telureto de bismuto, valorizados por suas altas propriedades de conversão de calor em eletricidade, a equipe introduziu uma tecnologia econômica para fabricar filmes termoelétricos flexíveis usando pequenos cristais, ou “nano ligantes”, que formam uma camada consistente de folhas de telureto de bismuto, aumentando tanto a eficiência quanto a flexibilidade.

Mais especificamente, a equipe utilizou “síntese solvotérmica”, uma técnica que forma nanocristais em um solvente sob alta temperatura e pressão, combinada com “serigrafia” e “sinterização”. 

Os pesquisadores criaram um filme imprimível no tamanho A4 com desempenho termoelétrico recorde, flexibilidade excepcional, escalabilidade e baixo custo. O método de serigrafia permitiu a produção em larga escala do filme, enquanto a sinterização aquecia os filmes até perto do ponto de fusão, unindo as partículas.

A solução também poderia funcionar com outros sistemas, como termelétricos à base de selênio de prata, que eram potencialmente mais baratos e sustentáveis do que os materiais tradicionais.

Palavras de Conclusão

A gestão bem-sucedida de energia evoluiu como o limiar mais crítico que pode fazer ou quebrar uma solução tecnológica. Técnicas de coleta de energia que utilizam o calor corporal para alimentar tecnologia vestível são a abordagem mais promissora nessa direção, garantindo eficiência sem exigir energia ou energia externa. As soluções resultantes desses esforços são sustentáveis. Com a adoção crescente, agora é apenas uma questão de tempo até que essas soluções estejam prontas para produção comercial em escala, reduzindo custos e melhorando a disponibilidade.  

Referência do Estudo:

^{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}