Giyilebilir Enerji Toplayıcılarla Elektronik Cihazlarımızı Yakında Güçlendirebilir Miyiz?

Elektronik Cihazları Esnek Hale Getirmek

With smartphones, we have become used to carrying electronics with us all the time. This is, however, still done with a bulky block of metal and plastic, which, if anything, is getting bigger and heavier every year.

Akıllı telefonlarla, elektronik cihazları sürekli yanımızda taşımaya alıştık. Ancak bu hâlâ metal ve plastikten oluşan hantal bir blokla yapılmakta ve her geçen yıl daha da büyük ve ağır hâle gelmektedir.

Bir sonraki adım, elektronik cihazları kıyafetlerimize daha sorunsuz bir şekilde entegre etmek olurdu. Bu, akıllı saatler ve diğer sağlık odaklı giyilebilir cihazlar gibi giyilebilir elektroniklerle zaten başlamış durumda.

Bir adım daha ileri giderek elektronik cihazları doğrudan kıyafetlerimize entegre etmek mümkün olurdu. Ancak bunun için çok esnek ve hafif olmaları gerekir. Bu yönde sağlam ilerlemeler kaydedilmiştir:

• Bükülebilir ekranlar artık Samsung ve Huawei tarafından yüksek‑sınırlı akıllı telefonlara rutin olarak entegre edilmektedir.
• Bükülebilir ve esneyebilen piller polimerlerden üretilmekte ve geliştirilmektedir.
• Mikroişlemciler de bükülebilir.

Dolayısıyla ekranlar, piller ve hatta işlemciler artık esnek ve bükülebilir olduğuna göre, giyilebilir cihazları kıyafetlerimize entegre etmemizi hâlâ engelleyen nedir? Hepsine güç sağlamak hâlâ ciddi bir engel teşkil etmektedir.

Ancak bu durum, Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (DGIST), Hannam Üniversitesi, Yonsei Üniversitesi, Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST), Kore Endüstri Teknolojisi Enstitüsü (KITECH) ve Jeonbuk Ulusal Üniversitesi’ndeki Koreli araştırmacıların bir keşfi sayesinde değişebilir.

Yeni bir piezoelektrik enerji toplayıcı türü kullanarak, geleneksel cihazların 280 kat daha verimli bir giyilebilir enerji toplayıcı geliştirdiler.

Bu, ACS Nano dergisinde “Esnek Üç Boyutlu İnorganik Piezoelektrik Nanogeneratör için Eğrilik-Spesifik Bağlantı Elektrodu Tasarımı¹” başlığıyla yayınlandı.

Triboelectric ve Piezoelectric Cihazlar

Energy harvesters are systems producing energy from movements. There are mostly two types, based on whether they work on the triboelectric effect or piezoelectric effect.

Triboelectric jeneratörler, genellikle elektrostatik olarak adlandırılan ve iki nesnenin birbirine temas etmesi ya da kaymasıyla ortaya çıkan şeydir. This can generate some electricity but is often too weak to power electronics.

Piezoelectric is the effect of generating electricity in response to mechanical stress like bending, squeezing, etc. Until now, most piezoelectric energy harvesters have been made using organic or composite-based piezoelectric materials, which have low energy efficiency.

Pr Jang’s team was using another type of material: lead zirconate titanate (PZT).

Kaynak: DGIST

PZT Piezoelektrik Jeneratörü

PZT has long been known to have excellent piezoelectric performance but it is also hard and brittle. Therefore, using it in stretchable devices and counting on movement to generate power was unlikely to create a durable generator for wearables.

PZT, uzun süredir mükemmel piezoelektrik performansı ile bilinir, ancak aynı zamanda sert ve kırılgandır. Bu nedenle, esnek cihazlarda kullanılması ve hareketten güç üretmesine dayanması, giyilebilirler için dayanıklı bir jeneratör oluşturma ihtimalini düşük kılmıştır.

Bu yüzden araştırmacılar, PZT tabanlı bir 3B yapıyı, deformasyona duyarsız ve esnekliği korurken piezoelektrik özelliğini sürdürebilecek şekilde tasarlamayı incelediler.

The first step was to create a curved electrode with a convex shape that produces power when stretched.

Kaynak: ACS Nano

Daha sonra bu elektrotları birbirine dizerek, bir kumaşın örgüsü ya da hasır bir sepet gibi birleştirdiler.

Kaynak: ACS Nano

Sorunları Giderme

Because the electrodes are interlaced, they could easily cancel each other out. To avoid this, the electrodes were divided into convex and concave regions according to the direction of the induced output voltage.

Elektrotlar birbirine geçmiş olduğundan, kolayca birbirlerini iptal edebilirler. Bunu önlemek için, elektrotlar üretilen çıkış voltajının yönüne göre konveks ve konkav bölgeler halinde bölündü.

The current can be created by any motion of the body, as tested by the researchers on the knee, hand, or even fingers.

Kaynak: ACS Nano

Bu, hem aşırı esneklik hem de bu tipteki herhangi bir cihaz için en yüksek akım yoğunluğunu gösteren çok verimli bir piezoelektrik jeneratör oluşturdu.

Kaynak: ACS Nano

“Bu son derece verimli esnek piezoelektrik enerji toplayıcı teknolojisini geliştirmek, bu araştırmanın büyük bir başarısıdır. Bu teknolojinin ticarileştikten sonra faydalı olmasını ve giyilebilir enerji toplayıcıların pratik kullanımına öncülük etmesini bekliyoruz.”

Prof. Kyung-In Jang – DGIST Robotik ve Mekatronik Mühendisliği Bölümü

Uygulamalar

Giyilebilirler

En doğrudan uygulama, yürürken gibi hareket ettiğimizde kıyafete entegre edilen elektronik cihazları beslemek olur.

Bu, özellikle düzenli pil şarjına bağımlı olmayan sağlık izleme cihazları gibi giyilebilir cihazlar için faydalı olabilir.

Medikal İmplantlar

Bu tür bir jeneratörden büyük ölçüde fayda sağlayabilecek belirli bir implant türü vardır: kalp implantları.

Kalp sürekli hareket eder ve kasılır, bu da bu tür medikal implantlar için istikrarlı bir enerji kaynağı sağlayabilir.

Araştırmacılar, jeneratörü bir poliimid film içinde kapsülleyerek konsepti test ettiler. Bu, PZT’yi biyolojik sıvılardan ve dokulardan etkili bir şekilde izole etmek için gerekliydi, çünkü PZT toksik olabilir.

Kaynak: ACS Nano

Askeri

Başka bir uygulama, askeri alanda olabilir; piyade birlikleri giderek daha fazla enerji tüketen sensörler, iletişim, elektronik savaş vb. sistemlere bağımlı hâle gelmektedir.

Ve savaş birimlerinin bir kablo ve pil karmaşası içinde hareket etmesi neredeyse pratik değildir. Aynı zamanda silah, mühimmat, telekomünikasyon çözümleri gibi birçok şeyi zaten yönetmek zorundalar. Askerin üniformasındaki esnek elektroniklere doğrudan bağlanan bir piezoelektrik jeneratör iyi bir alternatif olabilir.

Giyilebilir Teknolojiye Yatırım

Giyilebilir teknoloji, 2022’de 61,2 Milyar $’dan 2030’a kadar yıllık %14,6 bileşik büyüme oranı (CAGR) ile büyümesi bekleniyor.

Kaynak: Grand View Research

Birçok aracı kurum aracılığıyla giyilebilir teknolojiyle ilgili şirketlere yatırım yapabilirsiniz ve burada, securities.io sitesinde, ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve diğer birçok ülkedeki en iyi aracı kurumlar için önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli şirketleri seçmekle ilgilenmiyorsanız, iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) veya SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE) gibi borsa yatırım fonlarına (ETF) da bakabilirsiniz; bu fonlar, büyüyen giyilebilir ve medikal cihaz endüstrisinden faydalanmak için daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlayacaktır.

Ayrıca “En İyi 6 Medikal Cihaz Hissesi” adlı makalemize de göz atabilirsiniz.

Giyilebilir Şirketi

Giyilebilir Ürünler İnşa Etmek

Esnek elektronik üretmenin bir yolu polimer kullanmaktır. Bunu yapmanın bir diğer yolu ise çok esnek ve toksik olmayan bir metal olan galyumu kullanmaktır; bu konuyu özel bir yatırım raporunda ele aldık.

Güneş enerjisi, piezoelektrik etkiye ek olarak, esnek giyilebilir cihazları da şarj edebilir. Bu, perovskit güneş hücreleri ya da ultra ince organik fotovoltaik teknoloji kullanılarak gerçekleştirilebilir.

Philips, tıraş makineleri, elektrikli diş fırçaları gibi küçük tüketici elektroniği ürünleriyle tanınan bir marka olup, sağlık alanında da eşit derecede aktiftir. 2022 yılında Avrupa’da MedTech patent başvurularında bir numara olmuştur.

Bağlantılı medikal ürünlerde, giyilebilir cihazlardan görüntüleme sistemlerine, respiratörlerden medikal robotlara kadar faaliyet göstermektedir. Şirket ayrıca yarı iletkenlerde (manyetik levitasyon teknolojisi dahil) ve yüksek teknoloji/robotik/otomasyon alanlarında da aktiftir.

Kaynak: Philips

Philips’in giyilebilir cihazları kalp, solunum ve aktivite ölçümlerini kapsar. Sensörleri akıllı saatlere, sağlık monitörlerine, medikal yamalara ve aktivite takip cihazlarına entegre edilebilir.

Giyilebilir cihazlar konusunda Philips, üçüncü taraflar için “onların” bağlı IoT (Nesnelerin İnterneti) medikal cihazlarını Philips’in diğer çözümleriyle tam uyumlu şekilde geliştirdiği bir ortaklık çözümünü tercih etmektedir. Bu bağlamda, müşterilerine prototipleme, düzenleyici danışmanlık, uçtan uca ürün geliştirme ve endüstriyel ölçekli üretim hizmetleri sunar.

Bu durum Philips’i teknoloji odaklı bir şirket ve esnek piezoelektrik jeneratörler gibi yenilikleri mevcut medikal cihazlara hızlı bir şekilde entegre edebilecek muhtemel bir aday yapmaktadır.

2023 yılında Philips’in cihazları doğrudan 1,82 milyar kişiyi etkiledi.

Şirket, sensörlerin cihazlarla uyumlu olduğu ve çoklu bağlantı çözümleriyle Philips HealthSuite Cloud çözümüne entegre edilerek derin veri analitiğine olanak tanıyan tamamen bütünleşik bir dijital sağlık ortamı yaratmak istiyor.

Kaynak: Philips

MedTech sektörünün bir tedarikçisi olarak Philips, sektörde diğer daha önde gelen şirketler kadar görünür değildir. Ancak, yüksek performanslı elektronik cihazlar ve sensörler üretme konusunda uzmandır ve genellikle sağlık ve giyilebilir cihazlar alanındaki nişinde mümkün olanın sınırlarını zorlamaktadır.

Giyilebilir cihazların sağlık hizmetleri ve medikal protokollere giderek daha fazla entegre edilmesiyle, Philips’in Sağlık segmenti büyük olasılıkla holdingin bir parçası olarak büyüyecektir.

Çalışma Referansı:

^{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). Esnek Üç Boyutlu İnorganik Piezoelektrik Nanogeneratör için Eğrilik-Spesifik Bağlantı Elektrodu Tasarımı. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}