Genombrott i termoelektrisk enhet banar väg för avancerade wearables

Ett forskarteam från Queensland University of Technology (QUT) har utvecklat en flexibel och extremt tunn film för att driva bärbara enheter med enbart vår kroppsvärme, vilket eliminerar behovet av batterier. 

Den nya teknologin kan också användas för att kyla elektroniska chip i smartphones och datorer, vilket hjälper dem att fungera mer effektivt samt förbättrar deras stabilitet.

Genombrottet, enligt professor Zhi-Gang Chen, den grundande direktören för ARC Research Hub i Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality (ZeroPC), adresserar en nyckelutmaning i att skapa en termoelektrisk enhet som omvandlar kroppsvärme till energi. Enheten har potential att bli en hållbar energikälla för bärbar elektronik.

När det gäller flexibla termoelektriska enheter förklarade professor Chen att:

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

Bygga en exceptionell termoelektrisk bärbar enhet

Enheter som kan omvandla kroppsvärme till energi, trots att de är ett ämne av enormt intresse och utforskning, står för närvarande inför utmaningar som höga kostnader, komplex tillverkning, begränsad flexibilitet och otillräcklig prestanda, vilket hindrar massproduktion och antagande. 

Källa: Queensland University of Technology

I den senaste studien publicerad i tidskriften Science, introducerade QUT-teamet en kostnadseffektiv metod för att skapa flexibla termoelektriska filmer. För detta använde de små kristaller eller ‘nanobinders’ som bildar ett jämnt lager av bismuttelluridblad, vilket ökar både flexibilitet och effektivitet.

Bismuttellurid (Bi2Te3) är ett populärt material som forskare använder för att bygga sådana enheter.  Det grå pulvret är en förening av bismuth och tellurium. Den kemiskt stabila halvledaren uppvisar utmärkta egenskaper som omvandlar värme till elektricitet, vilket gör den idealisk för lågströmsapplikationer som rörelsesensorer, hjärtfrekvens- och temperaturmonitorer.

Så skapade QUT-teamet en utskrivbar film i A4-storlek “med rekordhög termoelektrisk prestanda, exceptionell flexibilitet, skalbarhet och låg kostnad, vilket gör den till en av de bästa flexibla termoelektrikerna som finns”, sade professor Chen.

Den utskrivbara filmen från QUT-teamet består av Bi2Te3-baserade nanoplattor som högorienterade korn och Te-nanorör som “nanobinders”. 

Tekniken som användes här var “solvotermisk syntes”, vilket bildar nanokristaller i ett lösningsmedel under hög temperatur och tryck. Denna teknik kombinerades med “sintering”, som värmer filmerna till nära smältpunkt för att binda partiklarna samman, och “screen-printing”, som möjliggör storskalig filmproduktion.

Metoden som teamet använde kan också fungera med andra oorganiska system som silverselenid (Ag2Se)-baserade termoelektriker, vilka potentiellt är billigare och mer hållbara än konventionella material, vilket visar teknikens breda tillämpbarhet.

“Denna flexibilitet i material visar de breda möjligheterna som vårt tillvägagångssätt erbjuder för att främja flexibel termoelektrisk teknik.”

– Studien första författare, Wenyi Chen

Enheten, enligt studien, uppnådde en normaliserad effekttäthet på >3 μW cm−2 K−2, vilket teamet uppger är “rankad bland de högsta i screen-printed devices.” 

Med detta erbjuder den senaste forskningen en kraftfull lösning för wearables som smartklockor och personlig termisk hantering. Förutom att driva wearables kan dessa termoelektriska enheter även tillämpas i trånga utrymmen, såsom insidan av en mobiltelefon, för att hjälpa till att kyla chip och förbättra prestanda. 

Till exempel, när den appliceras inuti en enhet kan filmen sänka chiptemperaturen med upp till 11,7 Kelvin, vilket hjälper till att upprätthålla optimal prestanda i elektroniska enheter. 

Om teamet lyckas förbättra prestandan hos denna flexibla elektriska enhet, kommer de kunna driva framtidens smartphones direkt, uppgav Chen i den officiella videon med titeln, “Breakthrough brings body-heat powered wearable devices closer to reality,” postad på universitetets YouTube-kanal.

Andra potentiella tillämpningar av enheten inkluderar luftkonditioneringssystem och ventilation. QUT-forskarteamet föreställer sig även användning av termoelektriska enheter i smarta kläder och fordonskomponenter.

Detta är bara början, dock; i nästa steg kommer teamet att fokusera på att optimera teknikens prestanda och skala upp den. Att kommersialisera tekniken kräver nämligen att övervinna utmaningarna med kostnadseffektivitet i stor skala, hållbarhet och integration med befintliga enheter.

Ytterligare forskning och fortsatt utveckling kommer att hjälpa dessa enheter att revolutionera energieffektiviteten i olika sektorer, från konsumentelektronik till medicinska och automobiliska tillämpningar.

Klicka här för att lära dig hur hälso-wearables främjar förebyggande vård.

Framsteg inom wearables-teknik

I dagens teknologiskt avancerade värld har bärbara enheter framträtt som en populär och mycket fördelaktig innovation. 

Wearables är helt enkelt mobila elektroniska enheter som är designade för att bäras på kroppen eller fästas på kläder. Några vanliga typer av bärbar teknik inkluderar smartklockor, smartglasögon och smarta smycken som ringar och armband. Dessa enheter spårar, analyserar och överför personlig data.

En av de mest framträdande tillämpningarna av wearables har hittats inom hälso- och sjukvården. De kan användas för att övervaka kroppstemperatur, blodtryck, hjärtfrekvens och andra vitala tecken. Användningen av dessa enheter sträcker sig även till fysiologiska sjukdomar som hypertoni och muskelsjukdomar samt neurokognitiva störningar såsom Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom. Wearables används också som ett läkemedelsleveranssystem, vilket hjälper till att personalisera vården. 

Olika typer av bärbara enheter används för närvarande inom hälsoområdet. Detta inkluderar hudbaserade wearables såsom e-skin, bärbara västar, smarta ringar, hörlurar och biofluidiska enheter som utnyttjar saliv, tårar och urin. 

Förutom hälso- och sjukvård används wearables för att kommunicera med andra, göra betalningar och spåra aktivitetsnivåer, samt inom livsstil, spel, sport, fitness, säkerhet och försvarssektorer.

Genom åren har wearable-teknik utvecklats på olika sätt. Till att börja med söker forskare och företag alltid efter bättre material för att bygga dessa enheter. Flexibla, stretchbara material och mjuka, ultratunna designer gör att dessa enheter kan bäras bekvämt och behålla sin funktionalitet.

Till exempel leder galliumbaserade flytande metaller, som har hög ledningsförmåga och biokompatibilitet, vägen för bioelektronik som passar bättre med kroppen.

När det gäller design har tekniken utvecklats avsevärt från konventionella metoder, med ett större fokus på att integrera dem sömlöst med människokroppen. E-tatueringar är ett utmärkt exempel; de är extremt tunna, hudmjuka elektronik som anpassar sig till huden och kan icke-invasivt digitalisera fysiologisk och psykologisk information.

Miniaturisering av dessa enheter, tillsammans med tryckt elektronik och intelligenta tyger, har lett till sensorer som kan övervaka en mängd fysiska parametrar medan elektroder inbäddas i textilier för att mäta aktivitet. Till exempel övervakar bärbara svett-sensorer kontinuerligt och icke-invasivt hälsindikatorer genom svett för att möjliggöra precisionsmedicin. 

Källa: MDPI

Mycket framsteg görs också inom bärbara smarta kemiska sensorer, som får allt fler tillämpningar inom hälso- och sjukvård, miljöövervakning och säkerhetsbedömning. 

Olika innovativa tillvägagångssätt har tagits för sensorutformning och tillverkning, med ett sådant system designat för att upptäcka NO2 genom att införliva en polyvinylalkohol/borax/agaros/NaNO3-elektrolyt och flerväggiga kolnanorörselektroder på guldnanofläckar. Systemet visar förbättrad prestanda och självreparerande egenskaper, vilket gör det perfekt för bärbara tillämpningar.

Övervinna begränsningar i wearables-teknik

Med alla dessa innovationer som hjälper bärbara enheter att bli bättre och mer effektiva har de börjat omvandla olika industrier, särskilt hälso- och sjukvården. De lider dock av begränsningar som stabilitet och integritet. 

Till exempel kan data som tas emot från sensorerna i dessa wearables uppleva förvrängning och brus på grund av konstant kroppsrörelse. 

Batterier som används i wearables utgör en annan betydande utmaning. Begränsningarna i energikällor har fått forskare att utforska olika lösningar, såsom piezoelektriska nanogeneratorer (PENG), som fungerar som självförsörjande sensorer, och triboelektriska nanogeneratorer (TENG), som fungerar som miniatyriserade energihöstar.

Thermoelektriska generatorer har särskilt fått mycket uppmärksamhet inom wearables-teknik. År 2017 släppte forskare från Zhejiang University och Xidian University en artikel om designen av en bärbar termoelektrisk generator för att samla in människokroppens energi. 

Precis som den senaste forskningen använde även denna Bi2Te3-baserat termoelektriskt material för att skapa en enhet som kunde generera en spänning på 48 mV för en temperaturdifferens på 12 K. När den monterades på människans handledshud var den termoelektriska generatorns uteffekt 130,6 nW vid en omgivningstemperatur på 25 °C, vilket demonstrerar dess potential för att samla in kroppsvärmeenergi och utveckla bärbara självförsörjande mobila enheter.

Ytterligare en studie gjorde framsteg i designen av termoelektriska generatorer (TEG) för kroppsvärme-hämtning. Problemet är att det finns en temperaturdifferens på 10–15 °C mellan kroppstemperaturen och omgivningstemperaturen, men endast en liten del passerar genom en bärbar TEG på grund av hudens termiska motstånd.

För att övervinna utmaningarna för bärbara TEG:er utvecklades en omfattande quasi-3D analytisk modell, och sedan användes en mikrovågsbearbetningsteknik för att syntetisera högpresterande termoelektriska nanokompositer, vilket ledde till en kraftig minskning av den termiska ledningsförmågan och resulterade i TEG:er som uppvisade 4–7 gånger högre effekttäthet än kommersiella TEG:er på människokroppen.

Endast i år har flera forskningsstudier släppts med fokus på termoelektriska enheter för wearables. 

För några månader sedan utvecklade forskare från University of Washington också ett mycket flexibelt och mjukt prototyp som kan samla energi från kroppsvärme och omvandla den till elektricitet, vilket sedan kan driva små elektronik. För sina flexibla termoelektriska enheter (TED) använde UW-teamet 3D mjuka arkitekturer, styva halvledare, multifunktionella kompositer och självhelande ledare av flytande metall.

Förutom energihämtning har fokus i alla dessa studier varit på utvecklingen av lätta och flexibla termoelektriska material, design av anpassningsbara ytor för att passa olika kroppsdelar, förbättring av wearables funktionalitet samt uppnå kostnadseffektivitet och skalbarhet.

Den snabbt växande wearables-marknaden

Framstegen inom wearables-teknik och den resulterande ökade funktionaliteten har ökat antagandet av dessa enheter. Det växande intresset för wearables har en marknad som förutspås öka till över 150 miljarder dollar innan detta årtionde är slut.

Marknaden för wearables som smartklockor och fitnessspårare har särskilt ökat under en längre tid. De blomstrade faktiskt under pandemin när personlig hälsa blev allas fokus. Dessa enheter lägger också till ett ökande antal mätvärden, och när de närmar sig en medicinsk enhet, antar fler och fler konsumenter dem.

Förutom fitness och hälso- och sjukvård visar teknikjättar särskilt intresse för virtuella, förstärkta och blandade verklighets-wearables (VR, AR & MR). Smarta kläder och e-texter har också fått uppmärksamhet men fortsätter att möta utmaningar vad gäller tillverkningsskalbarhet och produktens ekonomi. 

Intressant nog förväntas marknaden för wearable betalningstjänster växa i stark takt, med en CAGR på 13,6 % till 120 miljarder dollar. Denna tillväxt drivs av antagandet av närfältskommunikation (NFC) i smartphones, fitnessspårare och andra wearables,

Wearable-teknikprodukter inkluderar dessutom elektroniska hudplåster, bröstband, smarta kontaktlinser och bärbara kameror, som också är av intresse.

Enligt en senaste rapport förväntas leveranserna av wearables globalt öka med mer än 6 % år för år (YoY) i år till nästan 538 miljoner enheter. Denna tillväxt drivs av den förbättrade ekonomin och den växande antagandet av wearables i framväxande regioner.

Denna tillväxt kommer dock att vara ojämn över sektorerna, där wearables, som representerar över 60 % av wearables-marknaden, förväntas få en ökning när priserna stabiliseras. Smartklockor förväntas däremot se en nedgång på 3 %, den första YoY-förlusten någonsin, även om de förutspås återhämta sig till 4,8 % tillväxt nästa år. Detta beror på stigande priser och minimala designförändringar.

Framväxande wearables-enheter 

När det gäller framväxande wearables-enheter leder fitness- och hälsosektorerna utvecklingen. 

Inom hälso- och sjukvården omvandlar bärbara elektrokardiogram (ECG)-enheter, som finns i smartklockor och plåster, fjärrkardiovård. Dessa enheter paras med appar som lagrar ECG-data, vilka läkare kan granska på distans och sedan erbjuda proaktiv hälsovård, vilket leder till hälsosammare livsstilar. 

Dagens wearables möjliggör också kontinuerlig insamling av vitala tecken med hjälp av avancerade sensorer som ger realtidsdata om bärarna. Till exempel erbjuder kontinuerlig glukosmätning (CGM) realtidsinsikter i blodsockernivåer, vilket låter patienter övervaka sin hälsa från hemmets bekvämlighet.

Ett ökande fokus bland företag ses också på pulsmätare. Smartklockor som Casio G-Shock Rangeman är utrustade med en pulsmätare för att exakt upptäcka kroppsrörelse samt förändringar i den naturliga miljön med hjälp av GPS och sensorer. Sedan finns Garmins (GRMN ) pulsmätare, som har en bekväm design som låter kvinnor fästa dem direkt på sina sportbehå.

Som vi kan se är enkel åtkomst definitivt fokus för teknikföretag som utvecklar wearables. Detta gäller också för Oura smarta ringar, som kan bäras på ett finger. Bandet är utrustat med en 3D-accelerometer för att bestämma rörelse, en NTC-sensor för att observera kroppstemperatur samt en PPG-sensor för att spåra hjärtfrekvens. 

Sedan finns Evie Smart Ring, som har ett kvinnor-först tillvägagångssätt i sin design genom att möjliggöra spårning av sömn, hjärthälsa och menstruationscykler. Bärbara biosensorer erbjuder samtidigt lovande vägar för stresshantering genom att upptäcka subtila förändringar i biomarkörer som kortisolnivåer. 

Företag bygger också hörlurar som guidar bärarna under träningspass, medan speciella handskar som GyroGlove skapas för Parkinsonpatienter för att minska tremor och förbättra livskvaliteten.

I underhållsvärlden tillåter wearables som Xreal Air användare att titta på innehåll och spela spel, medan Metas (META ) smarta glasögon möjliggör innehållsskapande och delning. Sedan finns wearables som Ai Pin, som körs på en åtta-kärnig, 2,1 GHz Qualcomm-processor och kan ta foton, skicka textmeddelanden och svara på samtal.

Klicka här för att lära dig om termisk örhänge.

Företag som dominerar wearables-sektorn

När det gäller företag har Apple (AAPL ) lett området tack vare sin robusta portfölj av smarta produkter som Apple Watch. Viktiga hälsomått som täcks av klockan inkluderar hjärtfrekvens, andningsfrekvens, handledstemperatur, blodsyre och sömnlängd.

Världens största företag med ett marknadsvärde på 3,75 biljoner dollar har för närvarande sina aktier handlade till 248 $, upp 28,88 % i år. Apple har en EPS (TTM) på 6,07 och ett P/E (TTM) på 40,88 samt en utdelningsavkastning på 0,40 %. För kvartalet som avslutades den 28 september 2024, då företaget lanserade sin iPhone 16-serie, AirPods 4 och Apple Watch Series 10 med funktioner för hörselhälsa och sömnapné-detektion, rapporterade teknikjätten redovisade en omsättning på 94,9 miljarder dollar.

Under tiden fångar Google wearables-marknaden genom Fitbit, som de förvärvade 2021. Det kinesiska företaget Huawei lanserade också sitt TruSense-system i år för att driva kommande wearables. Andra anmärkningsvärda namn i området inkluderar Samsung Group (SSUN.F ), Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ), och Garmin.

Slutsats

Wearable-teknik är en snabbt växande marknad som får mycket intresse och utveckling. Dessutom banar genombrott inom termoelektrisk teknik, som uppnåtts av QUT-teamet, vägen för en mer avancerad framtid där dessa enheter inte längre är beroende av batterier, vilket i sin tur leder till lätta och mer effektiva wearables. 

Men även om alla dessa framsteg i material och design driver den globala wearables-marknaden, finns det fortfarande utmaningar när det gäller kostnad, skalbarhet och hållbarhet. Det är endast genom ytterligare innovation, fortsatt samarbete och ökad investering som alla dessa genombrott kan tillämpas i praktiska tillämpningar och integreras i vårt dagliga liv!

Klicka här för en lista över de bästa wearables-företagen för hälsospårning att investera i.