Hinahayang mga Haptic Energy Harvester na Maging Iyong Sariling Bangko ng Baterya

Marahil narinig mo na ang mga terminong Haptic Energy o Haptic Feedback. Ang terminong ito ay madalas gamitin sa panahon ng mga wearable tech. Noong 2024, isang napakalaking dami ng 534 milyong wearable units ang naipadala sa buong mundo.

Kasama sa mga unit na ito ang iba’t ibang elektronikong aparato tulad ng mga smartwatch, fitness tracker, headphones, mga extended reality device, katulad ng VR headsets, at augmented reality glasses. Sa pag-usbong ng wearable electronics, lumitaw ang isang paradigma ng haptic energy.

Sa nakaraang apat na dekada, ang pangunahing paraan ng komunikasyon sa electronics ay auditory o visual feedback, kung saan ang pangunahing wika ng komunikasyon ay tunog at liwanag. Ngunit ngayon, ang haptic feedback ay naging isa pang paraan para makipag-ugnayan ang electronics sa mga tao, gamit ang kanilang pandama sa paghipo.

Mga smartphone, smart watch, fitness tracker – lahat ng mga portable na sistemang pinapagana ng baterya ay maaaring gumamit ng haptics. Bilang isang aplikasyon, ito ay matatag na nakapuwesto sa consumer, industriyal, at automotive na mga aplikasyon, tulad ng smartphone, tablet, mouse, ATM machine, at automotive infotainment system. 

Ngayon, isang pangkat ng mga mananaliksik ang matagumpay na nag-apply ng haptic energy sa mga wearable¹. Habang tinatalakay ang layunin ng kanilang pananaliksik at ang kahalagahan ng maaaring makamit nito, sinabi ni Saad Khan, co-corresponding author at INVISTA Professor of Chemical and Biomolecular Engineering sa NC State, ang sumusunod:

“Sinimulan naming ang isang serye ng mga eksperimento upang tuklasin kung maaari naming gamitin ang mga amphiphile upang baguhin ang mga materyales at isama ang mga ito sa mga haptic energy harvester.” 

Upang malaman pa ang tungkol sa pananaliksik at mga nagawa nito, sisilipin natin ito nang mas malalim sa susunod na bahagi. 

Pag-Compress ng Slippery Surface-Assembled Amphiphiles para sa Tunable Haptic Energy Harvesters

Pinagmulan: NC State University

Napagtanto ng mga mananaliksik na isang paulit-ulit na hamon sa pagkuha ng enerhiya mula sa ambient na galaw ay ang pangangailangan ng mga device na mapanatili ang mataas na kahusayan sa pag-harvest at positibong karanasan ng gumagamit kapag ang kanilang interface ay dumadaan sa dynamic compression. Ipinakita ng mga mananaliksik na maliliit na amphiphile ay maaaring gamitin upang i-tune ang friction, haptics, at triboelectric properties sa pamamagitan ng pag-assemble nito sa mga tiyak na konpormasyon sa ibabaw ng mga materyales. Ang mga amphiphile ay mga molekula na karaniwang ginagamit sa mga consumer product upang bawasan ang friction laban sa balat ng tao. Halimbawa, ang mga molekulang ito ay madalas na isinasama sa mga diaper upang maiwasan ang pagkapunit. 

Habang tinatalakay ang layunin at mga motibasyon na nag-udyok dito, sinabi ni Lilian Hsiao, corresponding author ng isang papel tungkol sa gawaing ito at associate professor ng chemical at biomolecular engineering sa North Carolina State University, ang sumusunod:

“Nagsimula kaming bumuo ng isang modelo na magbibigay sa amin ng detalyadong pangunawang batayan kung paano nakakaapekto ang iba’t ibang amphiphile sa surface friction ng iba’t ibang materyales.”

Nakakita ang mga mananaliksik na ang mga molekula na bumubuo ng maraming slip plane sa ilalim ng presyon, lalo na sa pamamagitan ng π-π stacking, ay nagdudulot ng 80 hanggang 90% na mas mababang friction kumpara sa mga bumubuo ng hindi maayos na mesostructure. Bilang resulta, iminungkahi ng mga mananaliksik ang isang scaling framework para sa kanilang mga katangian ng friction reduction na isinasaalang-alang ang adhesion at contact mechanics.

Sa pagtamo ng kanilang layunin, napagtanto ng mga mananaliksik na ang mga surface na may coating ng amphiphile ay may tendensiyang tumanggi sa pagkasira at lumikha ng natatanging pandama, kung saan mas gusto ng mga tao ang mas madulas na materyales. Sa ibang antas, maaari ring mapabuti ng mga mananaliksik ang triboelectric output sa pamamagitan ng paggamit ng mga amphiphile na may mataas na electron affinity.

Sa kabuuan, ang mga molekulang maaaring mag-self-organize sa mga madulas na eroplano sa ilalim ng presyon ay nagbigay ng madaling paraan upang isulong ang pag-develop ng haptic power harvesters sa malakihang sukat. Upang ipaliwanag nang mas praktikal, natuklasan ng mga mananaliksik na posible gamitin ang mga amphiphile upang lumikha ng mga wearable na tela na may madulas na ibabaw na komportable sa balat ng tao.

Dagdag pa, natuklasan ng mga mananaliksik na ang ilang amphiphile, dahil sa kanilang likas na katangiang elektronik, ay maaaring magsilbing electron donors. Ang mga electron-donating amphiphile, kapag isinama sa mga wearable na materyales, ay nagresulta sa komportableng materyal na kayang lumikha ng kuryente sa pamamagitan ng friction na nalilikha ng paghaplos sa balat ng tao o iba pang mga ibabaw.

Sa kabuuan, tulad ng binigyang-diin ni Hsiao, sa kanilang proof-of-concept testing, natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga amphiphile material na ito ay hindi lamang komportable sa balat kundi kayang mag-generate ng hanggang 300 volts, na kamangha-mangha para sa isang maliit na piraso ng materyal.

Ayon kay Saad Khan:

“Interesado kaming gumawa pa ng higit upang magamit ang mga materyal na ito, tulad ng pagsuri kung paano ito maaaring maisama sa mga umiiral na haptic device. At bukas kami sa pakikipagtulungan sa mga industry partner upang tuklasin ang mga bagong aplikasyon.”

Habang ang pananaliksik at ang industriyal na pag-aampon nito ay dapat magkasabay, may ilang kumpanya na kasalukuyang nagsasaliksik ng mga produkto na magha-harvest ng enerhiya mula sa katawan upang patakbuhin ang mga wearable tech device. Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin natin ang ilang mga nangungunang kumpanya na maaaring makinabang mula sa ganitong uri ng pananaliksik.

1. Medtronic PLC

Isa sa mga kumpanyang malawak na nagtrabaho sa wearable tech ay ang Medtronic. Ang malaking pampublikong med-tech na higante na ito ay marahil isa sa mga pinakamainam na posisyon upang magamit ang mga haptic energy harvester. 

Isa sa mga pinakamahalagang alok ng Medtronic ay ang BioButton, isang multi-parameter, medical-grade na wearable device na dinisenyo para sa matalinong pag-monitor ng pasyente. Nagbibigay ito ng trending data sa mga pangunahing vital signs at biometrics, na nagsisilbing maagang indikasyon ng pagbulusok ng kalagayan ng pasyente.

Dinisenyo para sa patuloy na pag-monitor ng mga pangunahing indikasyon ng pagbulusok ng pasyente, maaaring sukatin ng monitor ang resting respiratory rate, resting heart rate, skin temperature, at isang serye ng biometrics. Ang wearable ay nagbigay-daan sa mga mananaliksik na suriin ang trending data upang matulungan ang mga clinician na tukuyin ang mga pasyenteng maaaring kailanganin ng klinikal na interbensyon at ang mga maaaring handa nang ma-discharge.

Noong 2022, pumasok ang Medtronic sa isang estratehikong pakikipagtulungan sa BioIntelliSense, isang kumpanya ng patuloy na health monitoring at clinical intelligence, para sa eksklusibong karapatan sa distribusyon ng BioButton sa mga ospital sa U.S. at 30-araw na post-acute hospital-to-home.

Sa anunsyo ng pakikipagtulungan, sinabi ni Frank Chan, Ph.D., presidente ng Patient Monitoring business, na bahagi ng Medical Surgical Portfolio sa Medtronic, ang sumusunod:

“Ang aming bisyon ay bigyan ng kapangyarihan ang mga clinician at pasyente sa pamamagitan ng actionable insights upang i-personalize ang pangangalaga — kahit kailan, kahit saan. Sa pamamagitan ng aming pakikipagtulungan sa BioIntelliSense, susuportahan namin ang patuloy, konektadong pangangalaga mula sa ospital hanggang sa tahanan at palalawakin ang aming abot upang matulungan ang mas maraming pasyente sa mas maraming lugar kaysa dati.”

Bilang isa sa pinakamahalagang med-tech na kumpanya sa mundo, ang Medtronic ay marahil ang pinakamainam na posisyon upang makinabang mula sa pananaliksik tulad ng tinalakay natin. Noong Mayo 2024, inanunsyo ng Medtronic ang mga resulta ng pananalapi para sa ika-apat na quarter at fiscal year 2024. Iniulat ng kumpanya ang Q4 revenue na $8.6 bilyon, tumaas ng 0.5% ayon sa ulat at 5.4% organic. Iniulat din ng kumpanya ang FY 24 revenue na $32.4 bilyon, tumaas ng 3.6% ayon sa ulat at 5.2% organic. 

2. Philips

Katulad ng Medtronic, isa pang higanteng tech na naglaan ng maraming pagsisikap sa R&D para sa pag-develop ng makabagong wearable tech ay ang Philips. Ang mga patient-worn monitoring solution mula sa Philips ay nagbibigay sa mga pasyente ng kalayaan na gumalaw sa loob ng care unit o ospital.

Dinisenyo para sa kaginhawahan, ang mga patient-worn device ng Phillips ay gumagamit ng wireless technology upang ipadala ang data at alarm sa mga kinakailangang lugar, tulad ng central nursing area, remote observation area, o mobile device ng caregiver. Ang mga device ay may iba’t ibang kakayahan sa pagsukat upang tugunan ang klinikal na pangangailangan ng pangkalahatang at intermediate-care na populasyon ng pasyente. 

Ang pangalan ng produkto ay Intellivue MX40. Maaaring patakbuhin ng mga gumagamit ang IntelliVue MX40 gamit ang disposable AA batteries o isang Philips rechargeable battery. Sinusuportahan ng device ang kakayahang kumuha ng derived 12-lead ECG information habang patuloy na minomonitor ang ST at QT, FAST SpO2, at impedance respiration. Sa hanggang 5 screen format, madaling makuha ang kinakailangang impormasyon sa isang pindot.

Ang device ay may wireless short-range connection sa IntelliVue monitors upang makuha ang vital signs o para sa mas komprehensibong pagtingin. May natatanging cable connector ang device na dinisenyo upang mabawasan ang pag-ipon ng dumi at likido at isang case design na kayang tiisin ang high-level disinfectants, kabilang ang periodic sterilization.

Ayon sa pinakabagong magagamit na impormasyon, noong 2023, nagrehistro ang Philips ng €18.2 bilyong benta na may 6% na comparable sales growth at isang adjusted EBITA margin na 10.6% 

Habang ang malalaking tech company tulad ng Medtronic at Philips ay nagde-develop ng mga produkto na maaaring makinabang nang malaki mula sa Haptic Energy Harvesters, ilang iba pang research organization ang nagtatrabaho rin sa parehong larangan. 

Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin natin ang ilang mga pag-aaral na may potensyal na baguhin ang mga aplikasyon sa larangang ito.

Electronic Prototype na Nagha-Harvest ng Enerhiya mula sa Init ng Katawan at Ginagawang Kuryente

Noong Setyembre 2024, lumabas ang mga ulat mula sa mga mananaliksik ng University of Washington na nag-develop ng isang flexible, matibay na electronic prototype na kayang mag-harvest ng enerhiya mula sa init ng katawan at gawing kuryente upang mapatakbo ang maliliit na elektronik, tulad ng mga baterya, sensor, o LED. Ang tibay ng device ay nagpapanatili nitong magamit kahit na ito ay nabutas ng ilang ulit at na-stretch hanggang 2000 beses. 

Ayon kay senior author Mohammad Malakooti, UW assistant professor of mechanical engineering:

“Kapag inilagay mo ang device na ito sa iyong balat, ginagamit nito ang init ng iyong katawan upang direktang paganahin ang isang LED. Sa sandaling ilagay mo ang device, nag-iilaw ang LED. Hindi ito posible noon.”

Upang mas detalyadong ipaliwanag ang function, ang device ay may tatlong pangunahing layer. Ang layer sa gitna ay may rigid thermoelectric semiconductors na nagko-convert ng init sa kuryente. Ang mga semiconductor na ito ay napapalibutan ng 3D-printed composites na may mababang thermal conductivity, na nagpapabuti ng energy conversion at nagpapababa ng bigat ng device.

Dagdag pa, upang magbigay ng stretchability, conductivity, at electrical self-healing, ang mga semiconductor ay konektado sa pamamagitan ng printed liquid metal traces. Bukod dito, ang mga nakabaong liquid metal droplets sa panlabas na mga layer ay nagpapabuti ng heat transfer papunta sa mga semiconductor at nagpapanatili ng flexibility dahil nananatiling likido ang metal sa room temperature.

Habang tinatalakay ang mga benepisyo ng teknolohiya at ang mas malawak nitong layunin, sinabi ni Mohammad Malakooti ang sumusunod:

“Maaari itong maging kapaki-pakinabang lalo na sa mga data center, kung saan ang mga server at kagamitan sa computing ay kumokonsumo ng malaking kuryente at naglalabas ng init, na nangangailangan pa ng karagdagang kuryente upang mapanatiling malamig. Ang aming mga device ay maaaring hulihin ang init na iyon at muling gamitin ito upang paganahin ang mga temperature at humidity sensor.”

Dagdag pa:

“Mas sustainable ang pamamaraang ito dahil lumilikha ito ng isang standalone system na nagmomonitor ng mga kondisyon habang binabawasan ang kabuuang konsumo ng enerhiya. Dagdag pa, hindi na kailangang mag-alala tungkol sa maintenance, pagpapalit ng baterya, o pagdaragdag ng bagong wiring.”

Sa hinaharap, optimistiko ang mga mananaliksik na ang teknolohiyang ito ay magagamit sa mga virtual reality system at iba pang wearable accessories upang lumikha ng mainit at malamig na sensasyon sa balat o mapabuti ang pangkalahatang kaginhawahan. 

Tatlong taon bago ito, noong Oktubre 2021, nagkaroon ng katulad na breakthrough ang mga mananaliksik sa CU Boulder. Titingnan natin ang pananaliksik na iyon sa susunod na bahagi.

I-click dito upang matuto tungkol sa smart fabric na nagko-convert ng init ng katawan sa enerhiya.

Wearable Device na Ginawang Baterya ang Katawan

Mga Mananaliksik sa CU Boulder nakabuo ng isang bagong, mababang-gastos na wearable device na maaaring gawing biological battery ang katawan ng tao. 

Isa sa mga pinaka-kaakit-akit na tampok ng device ay ang pagiging stretchy nito na maaaring isuot bilang singsing, pulsera, o anumang iba pang aksesorya na humahaplos sa balat ng nagsusuot. Kinukuha nito ang natural na init ng tao—gamit ang thermoelectric generators upang i-convert ang internal na temperatura ng katawan sa kuryente. 

Ang device ay maaaring mag-generate ng halos 1 volt na enerhiya para sa bawat square centimeter ng balat—mas mababang boltahe kada area kumpara sa karamihan ng umiiral na baterya ngunit sapat pa rin upang mapatakbo ang mga elektronik tulad ng relo o fitness tracker. 

Gumamit ang mga mananaliksik ng base na gawa sa stretchy na materyal na tinatawag na polyimine at pagkatapos ay ikinabit ang serye ng manipis na thermoelectric chip sa base na iyon, ikinonekta silang lahat gamit ang liquid metal wires. Ang huling produkto ay mukhang halo ng plastic bracelet at isang miniature computer motherboard o marahil isang techy na singsing na diyamante.  

Ang solusyon ay sapat na flexible para ang kapangyarihan nito ay mapalakas sa pamamagitan ng pagdagdag ng higit pang mga bloke ng generator. Isa sa mga mananaliksik ay inihambing ang solusyon sa paraan ng paghawak natin sa Legos:

“Parang pagsasama-sama ng maraming maliliit na piraso ng Lego upang makabuo ng malaking istruktura. Nagbibigay ito sa iyo ng maraming opsyon sa pag-customize.”

Ultra-Manipis, Flexible Film na Nagpapagana sa Next-Gen Wearables

Isang mas kamakailang pananaliksik, pinamunuan ng isang pangkat mula sa Queensland University of Technology, ang nag-develop ng ultra-manipis, flexible film na maaaring magbigay ng enerhiya sa mga susunod na henerasyon ng wearable device gamit ang init ng katawan, na nag-aalis ng pangangailangan ng mga baterya.

Dagdag pa, ang teknolohiyang ito ay maaaring magpalamig ng mga electronic chip, na tumutulong sa mga smartphone at computer na tumakbo nang mas epektibo.

Ayon kay Propesor Zhi-Gang Chen, kung saan ang bagong pananaliksik ng kanyang koponan ay inilathala sa prestihiyosong journal na Science:

“Ang flexible na thermoelectric device ay maaaring isuot nang kumportable sa balat kung saan epektibong binabago nila ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng katawan ng tao at nakapaligid na hangin sa kuryente.”

Habang tinatalakay ang potensyal na aplikasyon ng teknolohiyang ito, binigyang-diin ni Propesor Chen na maaari itong ilapat sa masikip na espasyo, tulad ng loob ng computer o mobile phone, upang makatulong magpalamig ng mga chip at mapabuti ang performance.

Kabilang sa iba pang aplikasyon ang personal thermal management, kung saan ang init ng katawan ay maaaring magbigay ng enerhiya sa isang wearable heating, ventilating, at air conditioning system. Binanggit ng mga mananaliksik ang ilang hamon na totoo rin para sa mga katulad na inobasyon. Kabilang sa mga hamong ito ang limitadong flexibility, kumplikadong paggawa, mataas na gastos, at hindi sapat na performance.

Gayunpaman, ang pananaliksik na tatalakayin natin ngayon ay nag-alok ng ilang solusyon pagdating sa pamamahala ng gastos. Habang karamihan ng pananaliksik sa larangang ito ay nakatuon sa bismuth telluride-based thermoelectrics, na pinahahalagahan dahil sa kanilang mataas na kakayahang mag-convert ng init sa kuryente, nagpakilala ang pangkat ng isang cost-effective na teknolohiya para sa paggawa ng flexible thermoelectric films gamit ang maliliit na kristal, o “nano binders,” na bumubuo ng pare-parehong layer ng bismuth telluride sheets, na nagpapataas ng parehong kahusayan at flexibility.

Mas partikular, gumamit ang pangkat ng “solvothermal synthesis,” isang teknik na bumubuo ng nanocrystals sa isang solvent sa ilalim ng mataas na temperatura at presyon, na pinagsama sa “screen-printing” at “sintering.” 

Nilikha ng mga mananaliksik ang printable na A4-sized film na may record-high thermoelectric performance, kahanga-hangang flexibility, scalability, at mababang gastos. Pinahintulutan ng screen-printing method ang malakihang produksyon ng film, habang ang sintering ay nag-init ng mga film hanggang sa halos punto ng pagkatunaw, na nagbubuklod sa mga particle.

Ang solusyon ay maaari ring gumana sa iba pang sistema, tulad ng silver selenide-based thermoelectrics, na potensyal na mas mura at mas sustainable kaysa sa tradisyunal na mga materyales.

Mga Pangwakas na Salita

Ang matagumpay na pamamahala ng enerhiya ay naging pinakamahalagang threshold na maaaring magtagumpay o magbigo ng isang teknolohikal na solusyon. Ang mga teknik ng energy harvesting na gumagamit ng init ng katawan upang patakbuhin ang wearable tech ay ang pinaka-promising na pamamaraan sa direksyong ito, na nagsisiguro ng kahusayan nang hindi nangangailangan ng panlabas na enerhiya o kapangyarihan. Ang mga solusyon na nagmula sa mga pagsisikap na ito ay sustainable. Sa patuloy na pag-adopt, ito na lamang ay tanong ng oras bago ang mga solusyong ito ay maging handa para sa malakihang komersyal na produksyon, na magbabawas ng gastos at magpapabuti ng availability.  

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{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}