Giyilebilir Enerji Toplayıcılarla Elektronik Cihazlarımızı Yakında Güçlendirebilir Miyiz?

Elektronik Cihazları Esnek Hale Getirmek

Akıllı telefonlarla elektronik cihazları sürekli yanımızda taşımaya alıştık. Ancak bunu hâlâ her yıl biraz daha büyüyüp ağırlaşan, metal ve plastikten hantal bir blokla yapıyoruz.

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’nin üst segment akıllı telefonlarında yaygın olarak kullanılıyor.
• 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 toplama yaklaşımıyla, geleneksel cihazlardan 280 kat daha verimli bir giyilebilir enerji toplayıcı geliştirdiler.

Bu, ACS Nano dergisinde “Esneyebilir üç boyutlu inorganik piezoelektrik nanojeneratörler için eğriliğe özgü bağlantı elektrodu tasarımı¹” başlığıyla yayınlandı.

Triboelektrik ve piezoelektrik cihazlar

Enerji toplayıcılar, hareketten enerji üreten sistemlerdir. Başlıca iki türü vardır: triboelektrik etkiye ve piezoelektrik etkiye dayananlar.

Triboelektrik jeneratörler, iki nesnenin temas etmesi veya birbirine sürtünmesiyle oluşan ve genellikle statik elektrik olarak bilinen etkiden yararlanır. Bu etki bir miktar elektrik üretebilir, ancak çoğu zaman elektronik cihazlara güç vermek için yetersizdir.

Piezoelektrik etki; bükme, sıkıştırma gibi mekanik zorlanmalara yanıt olarak elektrik üretilmesidir. Şimdiye kadar piezoelektrik enerji toplayıcıların çoğu, enerji verimliliği düşük organik veya kompozit piezoelektrik malzemelerle yapılıyordu.

Prof. Jang’ın ekibi farklı bir malzeme kullandı: kurşun zirkonat titanat (PZT).

Kaynak: DGIST

PZT Piezoelektrik Jeneratörü

PZT’nin mükemmel piezoelektrik performansı uzun süredir biliniyor; ancak malzeme sert ve kırılgandır. Bu yüzden esneyebilen cihazlarda kullanılması ve hareketten enerji üretmesi, giyilebilir ürünler için dayanıklı bir jeneratör geliştirmeyi zorlaştırıyordu.

Araştırmacılar bu nedenle deformasyondan etkilenmeyen, esnekliğini ve piezoelektrik özelliklerini koruyan PZT tabanlı üç boyutlu bir yapı tasarlamayı inceledi.

İlk adım, gerildiğinde enerji üreten dışbükey biçimli kavisli bir elektrot oluşturmaktı.

Kaynak: ACS Nano

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

Kaynak: ACS Nano

Sorunları Giderme

Elektrotlar iç içe geçtiğinden ürettikleri etkiler birbirini kolayca sıfırlayabilirdi. Bunu önlemek için elektrotlar, oluşan çıkış geriliminin yönüne göre dışbükey ve içbükey bölgelere ayrıldı.

Araştırmacıların diz, el ve parmaklarla yaptığı testler, vücudun farklı hareketlerinden akım üretilebildiğini gösterdi.

Kaynak: ACS Nano

Sonuçta hem yüksek esneklik hem de bu tür cihazlar arasında en yüksek akım yoğunluğunu gösteren çok verimli bir piezoelektrik jeneratör elde edildi.

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, örneğin yürürken oluşan hareketle giysilere entegre elektronik cihazları beslemek olabilir.

Bu özellikle düzenli batarya şarjına ihtiyaç duymadan çalışabilecek sağlık takip cihazları için yararlı 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.

Muharebe birimlerinin kablo ve batarya karmaşası içinde hareket etmesi pratik değildir. Askerler zaten silah, mühimmat ve iletişim donanımı gibi birçok şeyi taşımak zorundadır. Üniformadaki esnek elektroniklere doğrudan bağlanan bir piezoelektrik jeneratör iyi bir alternatif olabilir.

Giyilebilir Teknolojiye Yatırım

Giyilebilir teknoloji pazarının, 2022’deki 61,2 milyar dolarlık düzeyinden 2030’a kadar yıllık bileşik %14,6 oranında 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.

Tek tek şirket seçmek istemiyorsanız iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) veya SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE) gibi borsa yatırım fonlarını da değerlendirebilirsiniz. Bunlar büyüyen giyilebilir teknoloji ve tıbbi cihaz sektörlerine daha çeşitlendirilmiş yatırım imkânı sunar.

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

Giyilebilir teknoloji şirketi

Giyilebilir ürünler geliştirmek

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.

Philips, giyilebilir cihazlarda ortaklık modelini tercih ediyor: üçüncü tarafların bağlantılı IoT tıbbi cihazlarını, kendi çözümleriyle tam uyumlu olacak şekilde geliştiriyor. Müşterilerine prototipleme, mevzuat danışmanlığı, uçtan uca ürün geliştirme ve endüstriyel ölçekte üretim hizmetleri sunuyor.

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 çalıştığı ve çeşitli bağlantı çözümleriyle Philips HealthSuite Cloud’a entegre olduğu, ayrıntılı veri analizini mümkün kılan bütünleşik bir dijital sağlık ortamı kurmayı hedefliyor.

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). Esneyebilir üç boyutlu inorganik piezoelektrik nanojeneratörler için eğriliğe özgü bağlantı elektrodu tasarımı. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}