Kan vi snart driva våra elektroniska enheter med bärbara energihämtare?

Göra elektroniska enheter flexibla

Med smartphones har vi vant oss vid att ha med oss elektronik hela tiden. Detta sker dock fortfarande med ett skrymmande block av metall och plast, som, om något, blir större och tyngre för varje år.

Nästa steg skulle vara att integrera elektroniska enheter i våra kläder på ett smidigare sätt. Detta har redan börjat med bärbar elektronik som smartklockor och andra hälsofokuserade wearables.

Ett steg längre skulle vara att integrera elektronik direkt i våra kläder. Men för det måste den vara mycket flexibel och lätt. Det har gjorts betydande framsteg i den riktningen:

• Böjbara skärmar integreras nu rutinmässigt i avancerade smartphones av Samsung och Huawei.
• Böjbara och stretchbara batterier tillverkade av polymerer utvecklas.
• Microprocessorer kan också böjas.

Så om skärmar, batterier och till och med processorer nu är flexibla och böjbara, vad hindrar oss fortfarande från att ha wearables integrerade i våra kläder? Att driva dem alla är fortfarande ett allvarligt hinder.

Men detta kan förändras, tack vare en upptäckt av koreanska forskare vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Hannam University, Yonsei University, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) och Jeonbuk National University.

De utvecklade en bärbar energihämtare som är 280 gånger mer effektiv än konventionella enheter, med hjälp av en ny typ av piezoelektrisk energihämtare.

Den publicerades i ACS Nano, med titeln “Kurvatur-specifik kopplingselektroddesign för en stretchbar tredimensionell oorganisk piezoelektrisk nanogenerator¹”.

Triboelektrostatiska och piezoelektriska enheter

Energihämtare är system som producerar energi från rörelser. Det finns främst två typer, beroende på om de fungerar på triboelektrostatiska effekten eller piezoelektriska effekten.

Triboelektrostatiska generatorer är vad som allmänt kallas elektrostatisk, eller vad som händer när två objekt vidrör eller glider mot varandra. Detta kan generera viss elektricitet men är ofta för svag för att driva elektronik.

Piezoelektrisk är effekten att generera elektricitet som svar på mekanisk stress som böjning, klämning osv. Fram till nu har de flesta piezoelektriska energihämtare tillverkats med organiska eller kompositbaserade piezoelektriska material, vilka har låg energieffektivitet.

Prof. Jangs team använde en annan typ av material: blyzirkonat titanat (PZT).

Källa: DGIST

PZT-piezoelektrisk generator

PZT har länge varit känt för sin utmärkta piezoelektriska prestanda, men det är också hårt och sprött. Därför var det osannolikt att använda det i stretchbara enheter och förlita sig på rörelse för att generera kraft för att skapa en hållbar generator för wearables.

Så undersökte forskarna hur man kan designa en PZT-baserad 3D-struktur som är okänslig för deformation och garanterar stretchbarhet samtidigt som den behåller den piezoelektriska förmågan.

Det första steget var att skapa en böjd elektrod med en konvex form som producerar kraft när den sträcks.

Källa: ACS Nano

De samlade sedan strängar av dessa elektroder i varandra, likt nätet i ett tyg eller en korg av rotting.

Källa: ACS Nano

Lösa problem

Eftersom elektroderna är sammanflätade kan de lätt neutralisera varandra. För att undvika detta delades elektroderna in i konvexa och konkava regioner enligt riktningen på den inducerade utspänningen.

Strömmen kan genereras av vilken kroppsrörelse som helst, vilket forskarna testade på knäet, handen eller till och med fingrarna.

Källa: ACS Nano

Detta skapade en mycket effektiv piezoelektrisk generator som visar både extrem stretchbarhet och den högsta strömtätheten för någon enhet av denna typ.

Källa: ACS Nano

“Att utveckla denna höggradigt effektiva stretchbara piezoelektriska energihämtarteknik är en stor prestation i denna forskning. Vi förväntar oss att tekniken blir användbar efter kommersialisering och leder till praktisk användning av bärbara energihämtare.”
Prof. Kyung-In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Tillämpningar

Bärbara enheter

Den mest direkta tillämpningen skulle vara att driva elektronik integrerad i kläder när vi rör oss, till exempel när vi går.

Detta kan vara användbart för bärbara enheter, särskilt hälsomonitoreringsenheter som då inte skulle vara beroende av regelbunden batteriladdning.

Medicinska implantat

En specifik typ av implantat kan dra stor nytta av denna typ av generator: hjärtimplantat.

Hjärtat rör sig och kontraherar konstant, vilket kan ge en stabil energikälla för sådana medicinska implantat.

Forskarna testade konceptet genom att kapsla in generatorn i en polyimidfilm. Detta krävdes för att effektivt isolera PZT från bioflytningar och vävnader, eftersom PZT kan vara giftigt.

Källa: ACS Nano

Militär

En annan tillämpning kan vara inom militären, där infanteri i allt högre grad är beroende av strömkrävande sensorer, kommunikation, elektronisk krigföring osv.

Och det är knappast praktiskt att förvänta sig att stridsenheter ska navigera i ett virrvarr av kablar och batterier. Samtidigt måste de redan hantera sina vapen, ammunition, telekomlösningar osv. En piezoelektrisk generator som är direkt ansluten till flexibla elektronik i soldatens uniform kan vara ett bra alternativ.

Investera i bärbara enheter

Bärbar teknik förväntas växa med 14,6 % CAGR till 2030, från 61,2  miljarder dollar år 2022.

Källa: Grand View Research

Du kan investera i företag relaterade till wearables via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.

Om du inte är intresserad av att välja specifika företag kan du även titta på ETF:er som iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) eller SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE), vilka ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av den växande wearables- och medicinteknikindustrin.

Du kan också läsa vår artikel “Top 6 Medical Devices Stocks“.

Wearables-företag

Bygga wearables

Ett sätt att bygga flexibla elektronik är att använda polymerer. Ett annat sätt är att använda en mycket flexibel och icke-toxisk metall, gallium, som vi diskuterade i en dedikerad investeringsrapport.

Solenergi, förutom den piezoelektriska effekten, kan också ladda flexibla wearables. Detta kan uppnås antingen genom att använda perovskitsolceller eller ultratunna organiska fotovoltaiska teknik.

Koninklijke Philips N.V.

Philips är ett välkänt konsumentmärke för små elektronikprodukter (rakapparater, elektriska tandborstar) och är lika aktivt inom sjukvården. Det var #1 för MedTech-patentansökningar i Europa år 2022.

Det är aktivt inom anslutna medicinska produkter, från wearables till bilddiagnostik, respiratorer eller medicinska robotar. Företaget är också aktivt inom halvledare (inklusive maglev-teknik) och högteknik/robotik/automation.

Källa: Philips

Philips wearables erbjuder mätning av hjärt-, andnings- och aktivitetsparametrar. Dess sensorer kan integreras i smartklockor, hälsomonitorer, medicinska plåster och aktivitetsspårare.

När det gäller wearables föredrar Philips en partnerskapslösning, där de utvecklar för tredje parter “deras” anslutna IoT (Internet of Things) medicinska enheter som är fullt kompatibla med resten av Philips lösningar. I detta sammanhang erbjuder de sina kunder prototyputveckling, regulatorisk rådgivning, helhetsproduktutveckling och industriell produktion.

Detta gör Philips till ett teknikfokuserat företag och en sannolik kandidat för att snabbt integrera innovationer som flexibla piezoelektriska generatorer i befintliga medicinska enheter.

År 2023 påverkade Philips enheter direkt 1,82 miljarder människor.

Företaget vill skapa en fullt integrerad digital vårdmiljö, där sensorer matchar enheter, och sedan använda flera anslutningslösningar för att integreras i Philips HealthSuite Cloud-lösning och möjliggöra djupgående dataanalys.

Källa: Philips

Som leverantör inom MedTech-industrin är Philips inte lika synligt i sektorn som andra mer framstående företag. Däremot är de experter på att bygga högpresterande elektroniska enheter och sensorer, och de driver ofta gränserna för vad som är möjligt inom deras nisch i sjukvård och wearables.

När wearables i allt högre grad integreras i sjukvård och medicinska protokoll kommer Philips Healthcare-segment sannolikt att växa som en del av koncernen.

Studierreferens:

^{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). Kurvatur-specifik kopplingselektroddesign för en stretchbar tredimensionell oorganisk piezoelektrisk nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}