Haptiska energihämtare låter dig vara ditt eget batteribank

Du har säkert hört termerna Haptisk energi eller Haptisk återkoppling. Termen har använts frekvent i dessa tider av bärbar teknik. År 2024, en enorm volym av 534 miljoner bärbara enheter skickades globalt.

Dessa enheter inkluderade en mängd olika elektroniska produkter såsom smartklockor, träningsspårare, hörlurar, utökade verklighetsenheter, det vill säga VR-headset och förstärkningsglasögon. Med framväxten av bärbar elektronik har ett paradigm av haptisk energi uppstått.

Under de senaste fyra decennierna har den huvudsakliga kommunikationsmetoden i elektronik varit hörbar eller visuell återkoppling, med ljud och ljus som huvudkommunikationsspråk. Men idag har haptisk återkoppling blivit ett annat sätt för elektronik att kommunicera med människor, genom deras känsel.

Smartphones, smartklockor, träningsspårare – alla dessa bärbara batteridrivna system kan använda haptik. Som en tillämpning har den en väl etablerad plats i konsument-, industri- och fordonsapplikationer, såsom smartphones, surfplattor, möss, bankomater, och infotainmentsystem för bilar. 

Nu har ett forskarlag framgångsrikt tillämpat haptisk energi på bärbara enheter¹. När de talade om syftet med sin forskning och vikten av vad den kan uppnå, sade Saad Khan, medförfattare och INVISTA-professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid NC State, följande:

“Vi påbörjade sedan en serie experiment för att utforska om vi kunde använda amphifiler för att modifiera material och införliva dem i haptiska energihämtare.” 

För att lära dig mer om forskningen och dess resultat kommer vi att gå djupare in i den i nästa avsnitt. 

Komprimering av glidande yta-sammansatta amphifiler för justerbara haptiska energihämtare

Källa: NC State University

Forskare insåg att en återkommande utmaning vid extraktion av energi från omgivningsrörelse var att enheter måste upprätthålla hög insamlingsgrad och en positiv användarupplevelse när deras gränssnitt genomgår dynamisk kompression. Forskare visade att små amphifiler kunde användas för att justera friktion, haptik och triboelektriska egenskaper genom att samla dem i specifika konformationer på materialytor. Amphifiler är molekyler som ofta används i konsumentprodukter för att minska friktion mot mänsklig hud. Till exempel inkorporeras dessa molekyler ofta i blöjor för att förhindra skav. 

När de talade om sökandet och motivationerna som drev det, sade Lilian Hsiao, motsvarande författare till en artikel om arbetet och docent i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid North Carolina State University, följande:

“Vi satte oss för att utveckla en modell som skulle ge oss en detaljerad grundläggande förståelse för hur olika amphifiler påverkar ytfriktionen hos olika material.”

Forskare såg att molekyler som bildade flera glidplan under tryck, särskilt genom π-π stapling, ger 80 till 90 % lägre friktion än de som bildar oordnade mesostrukturer. Som ett resultat föreslog forskarna ett skalningsramverk för deras friktionsreducerande egenskaper som tar hänsyn till adhesion och kontaktmekanik.

När de uppnådde sitt syfte insåg forskarna att ytor belagda med amphifiler tenderade att motstå slitage och generera distinkta taktila uppfattningar, med människor som föredrog mer glidande material. På en annan nivå kunde forskarna också förbättra triboelektrisk output genom att använda amphifiler med hög elektronaffinitet.

Sammanlagt representerade molekyler som kunde självorganisera sig till glidplan under tryck ett enkelt sätt att driva utvecklingen av haptiska energihämtare i skala. För att förklara i mer praktiska termer fann forskarna att det var möjligt att använda amphifiler för att skapa bärbara tyger med glidande ytor som kändes bra mot mänsklig hud. 

Dessutom fann forskarna att vissa amphifiler, på grund av deras inneboende elektroniska egenskaper, kunde fungera som elektron donatorer. Dessa elektron-donerande amphifiler, när de införlivades i bärbara material, resulterade i ett bekvämt material som kunde generera elektricitet genom friktion som produceras av gnuggning mot mänsklig hud eller andra ytor.  

Sammanfattningsvis, som Hsiao betonade, fann forskarna i sina proof-of-concept-test att dessa amphifilmaterial inte bara kändes bra på huden utan kunde generera upp till 300 volt, vilket var anmärkningsvärt för en liten materialbit.

Enligt Saad Khan:

“Vi är intresserade av att göra mer för att utnyttja dessa material, såsom att utforska hur de kan införlivas i befintliga haptiska enheter. Och vi är öppna för att samarbeta med industripartners för att identifiera nya tillämpningar.”

Medan forskning och dess industriella antagande måste gå hand i hand, finns det flera företag som redan är djupt involverade i att forska på produkter som skulle samla energi från kroppen för att driva bärbara tekniska enheter. I de följande segmenten diskuterar vi ett par sådana banbrytande företag som kan dra nytta av forskning som den vi har diskuterat. 

1. Medtronic PLC

Ett av de företag som har arbetat omfattande med bärbar teknik är Medtronic. Denna stora offentliga medtech-jätte är kanske en av de bäst positionerade för att utnyttja haptiska energihämtare. 

En av Medtronics mest betydelsefulla erbjudanden är BioButton, en multiparameter, medicinsk klassad bärbar enhet designad för intelligent patientövervakning. Den tillhandahåller trenddata på viktiga vitala tecken och biometriska data, och fungerar som en tidig indikator på patientens försämring.

Designad för kontinuerlig övervakning av de ledande indikatorerna på patientens försämring, kan monitorn mäta vilande andningsfrekvens, vilande hjärtfrekvens, hudtemperatur och en rad biometriska data. Den bärbara enheten gjorde det möjligt för forskare att utforska trenddata för att hjälpa kliniker att identifiera patienter som kan behöva klinisk intervention och de som kan vara redo för utskrivning.

År 2022 ingick Medtronic ett strategiskt partnerskap med BioIntelliSense, ett företag för kontinuerlig hälsomonitorering och klinisk intelligens, för exklusiva amerikanska sjukhus- och 30-dagars post-akuta sjukhus‑till‑hem-distributionsrättigheter för BioButton. 

Under tillkännagivandet av partnerskapet sade Frank Chan, Ph.D., president för Patient Monitoring-verksamheten, som var en del av Medtronics Medical Surgical Portfolio, följande:

“Vår vision är att ge kliniker och patienter handlingsbara insikter för att personifiera vården — när som helst, var som helst. Genom vårt samarbete med BioIntelliSense kommer vi att stödja kontinuerlig, uppkopplad vård från sjukhus till hem och utöka vår räckvidd för att hjälpa fler patienter på fler platser än någonsin tidigare.”

Som ett av de mest betydelsefulla medtech-företagen i världen är Medtronic kanske den mest välpositionerade för att dra nytta av forskning som den vi har diskuterat.
I maj 2024 meddelade finansiella resultat för sitt fjärde kvartal och räkenskapsår 2024. Företaget rapporterade en Q4-omsättning på 8,6 miljarder dollar, en ökning med 0,5 % enligt rapporten och 5,4 % organisk. Företaget rapporterade en FY 24-omsättning på 32,4 miljarder dollar, en ökning med 3,6 % enligt rapporten och 5,2 % organisk. 

2. Philips

Precis som Medtronic har en annan teknikjätte som har lagt mycket FoU på att utveckla banbrytande bärbar teknik Philips. De patientbärda övervakningslösningarna från Philips ger patienter friheten att röra sig runt vårdenheten eller sjukhuset.

Designade för komfort använder Philips patientbärda enheter trådlös teknik för att överföra data och larm till där de behövs, såsom en central sjuksköterskeavdelning, fjärrobservationsområde eller en vårdgivares mobila enhet. Enheterna har ett brett spektrum av mätmöjligheter för att möta de kliniska behoven hos generella och mellankliniska patientpopulationer. 

Produktens varumärkesnamn är Intellivue MX40. Användare kan driva Intellivue MX40 med engångsbatterier av typen AA eller ett enda återuppladdningsbart Philips-batteri. Enheten stöder möjligheten att erhålla härledd 12‑lednings‑EKG-information samtidigt som den kontinuerligt övervakar ST och QT, FAST SpO2 och impedansandning. Med upp till fem skärmformat är den information som behövs lätt tillgänglig med ett enda tryck.

Enheten har en trådlös kortdistansanslutning till IntelliVue‑monitorer för att samla in vitala tecken eller för mer omfattande visning. Enheten har en unik kabelkontakt utformad för att minska insamling av jord och vätskor samt ett höljesdesign som tål höggradiga desinfektionsmedel, inklusive periodisk sterilisering.

Enligt den senaste tillgängliga informationen, år 2023, registrerade Philips försäljning på 18,2 miljarder euro med 6 % jämförbar försäljningsökning och en justerad EBITA-marginal på 10,6 % 

Medan stora teknikföretag som Medtronic och Philips utvecklar produkter som kan dra stor nytta av haptiska energihämtare, har flera andra forskningsorganisationer arbetat längs samma linje. 

I de kommande segmenten diskuterar vi några sådana forskningsstudier som har potential att revolutionera tillämpningar inom detta område.

Elektronisk prototyp som samlar energi från kroppsvärme och omvandlar den till elektricitet

I september 2024 rapporterades forskare vid University of Washington om en flexibel, hållbar elektronisk prototyp som kan samla energi från kroppsvärme och omvandla den till elektricitet för att driva små elektronikkomponenter, såsom batterier, sensorer eller lysdioder. Enhetens motståndskraft gör den användbar även efter att den har genomborrats flera gånger och sträckts upp till 2000 gånger. 

Enligt seniorförfattare Mohammad Malakooti, assisterande professor i maskinteknik vid UW:

“När du placerar den här enheten på huden använder den din kroppsvärme för att direkt driva en LED. Så snart du sätter på enheten tänds LED:en. Detta var inte möjligt tidigare.”

För att förklara funktionellt har enheten tre huvudlager. Lagret i mitten har stela termoelektriska halvledare som omvandlar värme till elektricitet. Dessa halvledare omges av 3D‑skrivna kompositer med låg värmeledningsförmåga, vilket förbättrar energikonversionen och minskar enhetens vikt.

Vidare, för att ge töjbarhet, ledningsförmåga och elektrisk självhelande, är halvledarna anslutna med tryckta flytande metallspår. Dessutom förbättrar inbäddade flytande metalldroppar i de yttre lagren värmeöverföringen till halvledarna och bibehåller flexibiliteten eftersom metallen förblir flytande vid rumstemperatur.

När han talade om fördelarna med teknologin och dess större syfte sade Mohammad Malakooti följande:

“Detta kan vara särskilt hjälpsamt i datacenter, där servrar och beräkningsutrustning förbrukar betydande mängder elektricitet och genererar värme, vilket kräver ännu mer elektricitet för att hålla dem svala. Våra enheter kan fånga den värmen och återanvända den för att driva temperatur- och fuktighetsensorer.”

Han tillade:

“Detta tillvägagångssätt är mer hållbart eftersom det skapar ett fristående system som övervakar förhållanden samtidigt som det minskar den totala energiförbrukningen. Dessutom finns det inget behov av underhåll, byte av batterier eller ny ledning.”

I framtiden var forskarna optimistiska om att teknologin skulle hitta tillämpning i virtuella verklighetssystem och andra bärbara tillbehör för att skapa varma och kalla sensationer på huden eller förbättra den övergripande komforten. 

Tre år tidigare, i oktober 2021, hade forskare vid CU Boulder ett liknande genombrott. Vi kommer att titta närmare på den forskningen i nästa segment.

Klicka här för att lära dig mer om den smarta väven som omvandlar kroppsvärme till energi.

Bärbar enhet som förvandlade kroppen till ett batteri

Forskare vid CU Boulder kom på en ny, lågkostnads bärbar enhet som kunde omvandla den mänskliga kroppen till ett biologiskt batteri. 

En av de mest lockande funktionerna hos enheten var att den var tillräckligt stretchig för att bäras som en ring, ett armband eller någon annan accessoar som rörde vid bärarens hud. Den utnyttjade en persons naturliga värme – med hjälp av termoelektriska generatorer för att omvandla kroppens interna temperatur till elektricitet. 

Enheten kunde generera cirka 1 volt energi för varje kvadratcentimeter hudyta – lägre spänning per area än vad de flesta befintliga batterier levererade men ändå tillräckligt för att driva elektronik som klockor eller träningsspårare. 

Forskarna använde en bas av ett stretchigt material kallat polyimin och sedan fäste en serie tunna termoelektriska chip i den basen, kopplade dem alla med flytande metalltrådar. Den färdiga produkten såg ut som en korsning mellan ett plastarmband och ett miniatyrdator-moderkort eller kanske en teknisk diamantring.  

Lösningen var tillräckligt flexibel för att dess kraft skulle kunna förstärkas genom att lägga till fler generatorblock. En av forskarna jämförde lösningen med hur vi hanterar Legos:

“Det är som att sätta ihop en massa små Lego-bitar för att skapa en stor struktur. Det ger dig många anpassningsalternativ.”

Ultratunn, flexibel film som driver nästa generations bärbara enheter

En nyare forskning, ledd av ett team från Queensland University of Technology, utvecklade en ultratunn, flexibel film som kunde driva nästa generations bärbara enheter med kroppsvärme, vilket eliminerade behovet av batterier.

Dessutom kunde teknologin kyla elektroniska chip, vilket hjälpte smartphones och datorer att fungera mer effektivt.

Enligt professor Zhi-Gang Chen, vars teams nya forskning publicerades i den prestigefyllda tidskriften Science:

“Flexibla termoelektriska enheter kan bäras bekvämt på huden där de effektivt omvandlar temperaturdifferensen mellan människokroppen och omgivande luft till elektricitet.”

När han talade om den potentiella tillämpningen av denna teknik betonade professor Chen att den kunde tillämpas i trånga utrymmen, såsom inuti en dator eller mobiltelefon, för att hjälpa kyla chip och förbättra prestanda. 

Andra tillämpningar inkluderade personlig termisk hantering, där kroppsvärme kunde driva ett bärbart värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem. Forskarna nämnde några utmaningar som också var sanna för liknande innovationer. Dessa utmaningar inkluderade begränsad flexibilitet, komplex tillverkning, höga kostnader och otillräcklig prestanda.

Dock erbjöd den forskning vi för närvarande diskuterar vissa lösningar när det gäller kostnadshantering. Medan de flesta forskningar inom detta område hade fokuserat på bismuttelluridbaserade termoelektriker, värderade för deras höga egenskaper att omvandla värme till elektricitet, introducerade teamet en kostnadseffektiv teknik för att tillverka flexibla termoelektriska filmer genom att använda små kristaller, eller ”nano binders”, som bildade ett enhetligt lager av bismuttelluridblad, vilket ökade både effektivitet och flexibilitet.

Mer specifikt använde teamet ”solvotermal syntes”, en teknik som bildade nanokristaller i ett lösningsmedel under hög temperatur och tryck, kombinerat med ”screen‑printing” och ”sintering”. 

Forskarna skapade en utskrivbar film i A4‑format med rekordhög termoelektrisk prestanda, exceptionell flexibilitet, skalbarhet och låg kostnad. Screen‑print‑metoden möjliggjorde storskalig filmproduktion, medan sintring värmde filmerna till nästan smältpunkt, vilket bundna partiklarna tillsammans.

Lösningen kunde också fungera med andra system, såsom silverselenid‑baserade termoelektriker, som potentiellt var billigare och mer hållbara än traditionella material.

Avslutande ord

Framgångsrik energihantering har utvecklats till det mest kritiska tröskelvärdet som kan göra eller bryta en teknisk lösning. Energihämtningstekniker som utnyttjar kroppsvärme för att driva bärbar teknik är det mest lovande tillvägagångssättet i denna riktning, vilket säkerställer effektivitet utan att kräva extern energi eller kraft. Lösningarna som resultat av dessa ansträngningar är hållbara. Med ökad antagning är det nu bara en tidsfråga innan dessa lösningar blir lämpliga för storskalig kommersiell produktion, vilket minskar kostnader och förbättrar tillgänglighet.  

Studierreferens:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Komprimering av glidande yta‑sammansatta amphifiler för justerbara haptiska energihämtare. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}