Descoberta em Dispositivo Termoelétrico Promove Avanços em Wearables

Uma equipe de pesquisa da Queensland University of Technology (QUT) desenvolveu um filme flexível e extremamente fino para alimentar dispositivos vestíveis usando apenas o calor do nosso corpo, eliminando assim a necessidade de baterias. 

A nova tecnologia também poderia ser usada para resfriar chips eletrônicos em smartphones e computadores, ajudando-os a funcionar de forma mais eficiente e aprimorando sua estabilidade.

A descoberta, segundo o professor Zhi-Gang Chen, diretor fundador do ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), aborda um desafio fundamental na criação de um dispositivo termoelétrico que converte o calor corporal em energia. O dispositivo tem o potencial de ser uma fonte de energia sustentável para eletrônicos vestíveis.

Falando sobre dispositivos termoelétricos flexíveis, o professor Chen explicou que:

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

Construindo um Dispositivo Vestível Termoelétrico Excepcional

Dispositivos que podem converter o calor corporal em energia, embora sejam um tema de imenso interesse e exploração, atualmente enfrentam o desafio de altos custos, fabricação complexa, flexibilidade limitada e desempenho insuficiente, impedindo sua produção em massa e adoção. 

Fonte: Queensland University of Technology

Na mais recente estudo publicado na revista Science, a equipe da QUT apresentou um método econômico para criar filmes termoelétricos flexíveis. Para isso, eles usaram pequenos cristais ou ‘nanobinders’ que formam uma camada consistente de folhas de telureto de bismuto, aumentando tanto a flexibilidade quanto a eficiência.

O telureto de bismuto (Bi2Te3) é um material popular usado por pesquisadores para construir tais dispositivos.  O pó cinza é um composto de bismuto e telúrio. O semicondutor quimicamente estável apresenta excelentes propriedades que convertem calor em eletricidade, tornando-o ideal para aplicações de baixa potência como monitores de movimento, frequência cardíaca e temperatura.

Assim, a equipe da QUT criou um filme imprimível tamanho A4 “com desempenho termoelétrico recorde, flexibilidade excepcional, escalabilidade e baixo custo, tornando-o um dos melhores termoelétricos flexíveis disponíveis,” disse o professor Chen.

O filme imprimível da equipe da QUT compreende nanoplacas à base de Bi2Te3 como grãos altamente orientados e nanorods de Te como “nanobinders.” 

A técnica usada aqui foi “síntese solvotérmica,” que forma nanocristais em um solvente sob alta temperatura e pressão. Essa técnica foi combinada com “sinterização,” que aquece os filmes próximo ao ponto de fusão para unir as partículas, e “serigrafia,” que permite a produção em larga escala do filme.

O método usado pela equipe também poderia funcionar com outros sistemas inorgânicos como termoelétricos à base de selênio de prata (Ag2Se), que são potencialmente mais baratos e sustentáveis que os materiais convencionais, demonstrando a ampla aplicabilidade da técnica.

“Essa flexibilidade nos materiais mostra as possibilidades abrangentes que nossa abordagem oferece para avançar a tecnologia termoelétrica flexível.”

– O primeiro autor do estudo, Wenyi Chen

O dispositivo, conforme o estudo, atingiu uma densidade de potência normalizada de >3 μW cm−2 K−2, que a equipe afirma estar “entre as mais altas em dispositivos serigrafados.” 

Com isso, a pesquisa mais recente oferece uma solução poderosa para wearables como smartwatches e gerenciamento térmico pessoal. Além de alimentar os wearables, esses dispositivos termoelétricos também podem ser aplicados em espaços restritos, como o interior de um telefone móvel, ajudando a resfriar chips e melhorar o desempenho. 

Por exemplo, quando aplicado dentro de um dispositivo, o filme pode reduzir a temperatura do chip em até 11,7 Kelvin, ajudando a manter o desempenho ideal em dispositivos eletrônicos. 

Se a equipe melhorar com sucesso o desempenho deste dispositivo elétrico flexível, eles poderão alimentar diretamente os smartphones do futuro, afirmou Chen no vídeo oficial intitulado, “Breakthrough brings body-heat powered wearable devices closer to reality,” publicado no canal do YouTube da universidade.

Outras aplicações potenciais do dispositivo incluem sistemas de ar condicionado e ventilação. A equipe de pesquisa da QUT também visualiza o uso de dispositivos termoelétricos em roupas inteligentes e componentes automotivos.

Isso é apenas o começo; na próxima etapa, a equipe se concentrará em otimizar o desempenho da tecnologia e escalá-la. Comercializar a tecnologia, afinal, requer superar os desafios de eficiência de custos em escala, durabilidade e integração com dispositivos existentes.

Pesquisas adicionais e desenvolvimento contínuo ajudarão esses dispositivos a revolucionar a eficiência energética em vários setores, desde eletrônicos de consumo até aplicações médicas e automotivas.

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Avanços na Tecnologia de Wearables

No mundo tecnologicamente avançado de hoje, os dispositivos vestíveis surgiram como uma inovação popular e altamente benéfica. 

Wearables são simplesmente dispositivos eletrônicos móveis que são projetados para ser usados no corpo ou anexados a roupas. Alguns dos tipos comuns de tecnologia vestível incluem smartwatches, óculos inteligentes e joias inteligentes como anéis e pulseiras. Esses dispositivos rastreiam, analisam e transmitem dados pessoais.

Uma das aplicações mais proeminentes dos wearables tem sido encontrada na área da saúde. Eles podem ser usados para monitorar a temperatura corporal, pressão arterial, frequência cardíaca e outros sinais vitais. A aplicação desses dispositivos se estende ainda a doenças fisiológicas como hipertensão e distúrbios musculares, bem como a transtornos neurocognitivos como a doença de Alzheimer e a doença de Parkinson. Wearables também estão sendo utilizados como sistema de entrega de medicamentos, ajudando a personalizar os cuidados de saúde. 

Diferentes tipos de dispositivos vestíveis estão atualmente sendo usados no campo da saúde. Isso inclui dispositivos vestíveis baseados em pele, como e-skin, coletes vestíveis, anéis inteligentes, fones de ouvido e dispositivos biofluídicos que utilizam saliva, lágrimas e urina. 

Além da saúde, os wearables são usados para se comunicar com outros, fazer pagamentos e rastrear níveis de atividade, bem como nos setores de estilo de vida, jogos, esportes, fitness, segurança e defesa.

Ao longo dos anos, a tecnologia vestível avançou de várias maneiras. Para começar, pesquisadores e empresas estão sempre buscando melhores materiais para construir esses dispositivos. Materiais flexíveis, extensíveis e designs ultra-finos permitem que esses dispositivos sejam usados confortavelmente e mantenham sua funcionalidade.

Por exemplo, metais líquidos à base de gálio, que possuem alta condutividade e biocompatibilidade, estão liderando o caminho para bioeletrônicos que se adaptam melhor ao corpo.

Quanto aos designs, a tecnologia evoluiu significativamente em relação aos métodos convencionais, com maior foco agora em integrá-los perfeitamente ao corpo humano. E-tattooes são um ótimo exemplo disso; são eletrônicos extremamente finos e macios como a pele que se conformam à pele e podem digitalizar de forma não invasiva informações fisiológicas e psicológicas.

A miniaturização desses dispositivos, juntamente com eletrônicos impressos e tecidos inteligentes, levou a sensores que podem monitorar uma variedade de parâmetros físicos enquanto eletrodos são incorporados em têxteis para medir atividade. Por exemplo, sensores de suor vestíveis monitoram continuamente e de forma não invasiva indicadores de saúde através do suor, capacitando a medicina de precisão. 

Fonte: MDPI

Um grande avanço também está sendo feito em sensores químicos inteligentes vestíveis, que estão encontrando aplicação crescente na saúde, monitoramento ambiental e avaliação de segurança. 

Várias abordagens inovadoras foram adotadas no design e fabricação de sensores, com um sistema projetado para detectar NO2 incorporando um eletrólito de álcool polivinílico/borax/agarose/NaNO3 e eletrodos de nanotubos de carbono multi-paredes em nanofolhas de ouro. O sistema mostra desempenho aprimorado e capacidades de autorreparo, tornando-o perfeito para aplicações vestíveis.

Superando as Limitações dos Wearables

Com todas essas inovações ajudando os dispositivos vestíveis a se tornarem melhores e mais eficazes, eles têm transformado diferentes indústrias, especialmente a saúde. No entanto, sofrem de limitações como estabilidade e privacidade. 

Por exemplo, os dados recebidos dos sensores nesses wearables podem sofrer distorção e ruído devido ao movimento constante do corpo. 

As baterias usadas em wearables apresentam outro desafio significativo. As limitações das fontes de energia levaram os pesquisadores a explorar várias soluções, como nanogeradores piezoelétricos (PENG), que funcionam como sensores autoalimentados, e nanogeradores triboelétricos (TENG), que servem como pequenos coletores de energia.

Geradores termoelétricos, em particular, têm ganhado muita atenção no espaço dos wearables. Em 2017, pesquisadores da Zhejiang University e da Xidian University publicaram um artigo sobre o design de um gerador termoelétrico vestível para capturar a energia do corpo humano. 

Assim como a pesquisa mais recente, este também utilizou material termoelétrico baseado em Bi2Te3 para criar um dispositivo que poderia gerar uma tensão de 48 mV para uma diferença de temperatura de 12 K. Quando montado na pele do pulso humano, a potência de saída do gerador termoelétrico foi de 130,6 nW a uma temperatura ambiente de 25 °C, demonstrando seu potencial para a captação de energia do calor corporal humano e desenvolvimento de dispositivos móveis autoalimentados vestíveis.

Outro estudo fez avanços no design de geradores termoelétricos (TEGs) para aplicações de captação de calor corporal. O fato é que há uma diferença de temperatura de 10-15°C entre a temperatura corporal e a temperatura ambiente, mas apenas uma pequena parte passa por um TEG vestível devido à resistência térmica da pele.

Para superar os desafios dos TEGs vestíveis, foi desenvolvido um modelo analítico quasi-3D abrangente, e então uma técnica de processamento por micro-ondas foi usada para sintetizar nanocompósitos termoelétricos de alto desempenho, o que levou a uma forte redução da condutividade térmica e resultou em TEGs exibindo densidade de potência 4-7 vezes maior que os TEGs comerciais no corpo humano.

Só neste ano, vários estudos de pesquisa foram lançados focando em dispositivos termoelétricos para wearables. 

Alguns meses atrás, pesquisadores da University of Washington também desenvolveram um protótipo altamente flexível e macio que pode captar energia do calor corporal e convertê-la em eletricidade, que então pode alimentar pequenos eletrônicos. Para seus dispositivos termoelétricos flexíveis (TEDs), a equipe da UW utilizou arquiteturas macias 3D, semicondutores rígidos, compósitos multifuncionais e condutores de metal líquido autorreparáveis.

Além da captação de energia, o foco de todos esses estudos tem sido o desenvolvimento de materiais termoelétricos leves e flexíveis, projetando superfícies adaptáveis para se ajustarem a diversas partes do corpo, aprimorando a funcionalidade dos wearables e alcançando eficiência de custos e escalabilidade.

O Mercado de Wearables em Rápido Crescimento

O avanço na tecnologia vestível e o aumento resultante na funcionalidade elevaram a adoção desses dispositivos. O crescente interesse em dispositivos vestíveis tem seu mercado projetado para ultrapassar US$ 150 bilhões antes que esta década termine.

O mercado para wearables como smartwatches e rastreadores de fitness, em particular, tem aumentado há algum tempo. Eles realmente explodiram durante a pandemia, quando a saúde pessoal se tornou foco de todos. Esses dispositivos também estão adicionando um número crescente de métricas e, à medida que se aproximam de um dispositivo médico, mais consumidores os adotam.

Além de fitness e saúde, gigantes de tecnologia estão mostrando interesse especial em wearables de realidade virtual, aumentada e mista (VR, AR & MR). Roupas inteligentes e e-textiles também têm atraído atenção, mas continuam enfrentando desafios em termos de escalabilidade de fabricação e economia de produto. 

Curiosamente, o mercado de serviços de pagamentos vestíveis é esperado crescer a um ritmo forte, com um CAGR de 13,6% para US$ 120 bilhões. Esse crescimento é impulsionado pela adoção de comunicação de campo próximo (NFC) em smartphones, rastreadores de fitness e outros wearables,

Os tipos de produtos de tecnologia vestível ainda incluem patches de pele eletrônica, cintas torácicas, lentes de contato inteligentes e câmeras vestíveis, que também despertam interesse.

De acordo com um relatório recente, as remessas de dispositivos vestíveis globalmente devem crescer mais de 6% ano a ano (YoY) este ano, chegando a quase 538 milhões de unidades. Esse crescimento é impulsionado pela economia em melhoria e pela crescente adoção de wearables em regiões emergentes.

Esse crescimento, porém, será desigual entre os setores, com wearables, representando mais de 60% do mercado de wearables, esperado para ver um impulso à medida que os preços se estabilizam. Smartwatches, por sua vez, devem registrar uma queda de 3%, a primeira queda YoY, embora seja projetado que se recuperem com crescimento de 4,8% no próximo ano. Isso se deve ao aumento de preços e mudanças de design mínimas.

Dispositivos Vestíveis Emergentes 

Quando se trata de dispositivos vestíveis emergentes, os setores de fitness e saúde estão liderando a corrida. 

Na saúde, dispositivos de eletrocardiograma (ECG) vestíveis, que aparecem em smartwatches e patches, estão transformando o cuidado cardíaco remoto. Esses dispositivos se conectam a aplicativos que armazenam dados de ECG, que os médicos podem revisar remotamente e então fornecer gerenciamento proativo da saúde, levando a estilos de vida mais saudáveis. 

Os wearables atuais também permitem a coleta contínua de sinais vitais com a ajuda de sensores avançados que fornecem dados em tempo real sobre seus usuários. Por exemplo, o monitoramento contínuo de glicose (CGM) oferece insights em tempo real sobre os níveis de açúcar no sangue, permitindo que os pacientes monitorem sua saúde diretamente do conforto de suas casas.

Um foco crescente entre as empresas também é visto nos monitores de frequência cardíaca. Smartwatches como o Casio G-Shock Rangeman vêm equipados com um monitor de frequência cardíaca para detectar com precisão o movimento corporal bem como mudanças no ambiente natural com a ajuda de GPS e sensores. Então há os monitores de frequência cardíaca da Garmin‘s (GRMN ) que vêm com um design confortável permitindo que mulheres os fixem diretamente em seus sutiãs esportivos.

Como podemos ver, a facilidade de acesso é certamente o foco das empresas de tecnologia que desenvolvem wearables. Isso também é verdade para os anéis inteligentes Oura, que podem ser usados no dedo. A banda está equipada com um acelerômetro 3D para determinar movimento, um sensor NTC para observar sua temperatura corporal e um sensor PPG para rastrear sua frequência cardíaca. 

Então há o Evie Smart Ring, que adotou uma abordagem voltada para mulheres em seu design, permitindo o rastreamento de sono, saúde cardíaca e ciclos menstruais. Biossensores vestíveis, por sua vez, oferecem caminhos promissores para o gerenciamento de estresse ao detectar mudanças sutis em biomarcadores como níveis de cortisol. 

Empresas também estão construindo fones de ouvido que guiam os usuários durante os treinos, enquanto luvas especiais como a GyroGlove são criadas para pacientes com Parkinson para reduzir tremores e melhorar a qualidade de vida.

No mundo do entretenimento, wearables como o Xreal Air permitem que os usuários assistam conteúdo e joguem, enquanto os óculos inteligentes da Meta‘s (META ) possibilitam a criação e compartilhamento de conteúdo. Então há wearables como o Ai Pin, que funciona com um processador Qualcomm (QCOM ) de oito núcleos, 2,1 GHz, e pode tirar fotos, enviar mensagens de texto e atender chamadas.

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Empresas que Dominam o Setor de Wearables

Agora, quando se trata de empresas, Apple (AAPL ) tem liderado o espaço graças ao seu robusto portfólio de produtos inteligentes como o Apple Watch. Métricas de saúde chave cobertas pelo relógio incluem frequência cardíaca, taxa respiratória, temperatura do pulso, oxigênio no sangue e duração do sono.

A maior empresa do mundo em capitalização de mercado de US$ 3,75 trilhões tem suas ações atualmente negociadas a US$ 248, alta de 28,88% neste ano. A Apple tem um EPS (TTM) de 6,07 e um P/E (TTM) de 40,88, com um rendimento de dividendos de 0,40%. No trimestre encerrado em 28 de setembro de 2024, no qual a empresa lançou sua linha iPhone 16, AirPods 4 e Apple Watch Series 10 com recursos para saúde auditiva e detecção de apneia do sono, o gigante tecnológico publicou uma receita de US$ 94,9 bilhões.

Enquanto isso, o Google está capturando o mercado de wearables através da Fitbit, que adquiriu em 2021. A empresa chinesa Huawei também lançou seu sistema TruSense este ano para alimentar wearables futuros. Outros nomes notáveis no setor incluem Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), e Garmin.

Conclusão

A tecnologia vestível é um mercado em rápido crescimento que está recebendo muito interesse e desenvolvimento. Além disso, descobertas na tecnologia termoelétrica, como as alcançadas pela equipe da QUT, estão pavimentando o caminho para um futuro mais avançado onde esses dispositivos não dependem mais de baterias, levando a wearables mais leves e eficientes. 

Mas, enquanto todos esses avanços em material e design estão impulsionando o mercado global de wearables, ainda existem desafios relacionados a custo, escalabilidade e durabilidade. Só através de mais inovação, colaboração contínua e investimento aumentado que todos esses avanços possam ser colocados em uso em aplicações práticas e integrados em nossas vidas diárias!

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