Haptik Enerji Toplayıcıları Kendinizi Kendi Pil Bankanız Olarak Kullanmanıza İmkan Tanır

Haptik Enerji ya da Haptik Geri Bildirim terimlerini duymuş olmalısınız. Bu terim, giyilebilir teknoloji çağında sıkça kullanılmaktadır. 2024 yılında, muazzam bir miktarda 534 milyon giyilebilir birim sevk edildi dünya çapında.

Bu birimler, akıllı saatler, fitness takip cihazları, kulaklıklar, genişletilmiş gerçeklik cihazları gibi çok çeşitli elektronik cihazları içeriyordu; yani VR başlıkları ve artırılmış gerçeklik gözlükleri. Giyilebilir elektroniklerin ortaya çıkmasıyla, haptik enerji paradigması ortaya çıktı.

Son dört on yılda, elektroniklerde ana iletişim yöntemi sesli veya görsel geri bildirim olmuştur; iletişimin temel dili ses ve ışıktır. Ancak bugün, haptik geri bildirim, elektroniklerin insanlarla dokunma duyusunu kullanarak iletişim kurmasının başka bir yolu haline gelmiştir.

Akıllı telefonlar, akıllı saatler, fitness takip cihazları – tüm bu taşınabilir pil destekli sistemler haptik kullanabilir. Uygulama olarak, tüketici, endüstri ve otomotiv alanlarında, örneğin akıllı telefon, tablet, fare, ATM makineleri, ve otomotiv bilgi-eğlence sistemleri. 

Şimdi, bir araştırmacı ekibi giyilebilir cihazlara haptik enerji¹. Araştırmalarının amacını ve elde edebileceği önemin önemini konuşurken, NC State’de Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği INVISTA Profesörü ve ortak yazar Saad Khan şu sözleri söyledi:

“Biz daha sonra, malzemeleri değiştirmek ve onları haptik enerji toplayıcılarına dahil etmek için amfifilleri kullanıp kullanamayacağımızı araştırmak amacıyla bir dizi deney başlattık.” 

Bu araştırma ve başarıları hakkında daha fazla bilgi edinmek için, bir sonraki bölümde daha derinlemesine inceleyeceğiz. 

Ayarlanabilir Haptik Enerji Toplayıcıları için Kaygan Yüzeyde Birleştirilen Amfifillerin Sıkıştırılması

Kaynak: NC State University

Araştırmacılar, çevresel hareketten enerji çıkarırken tekrarlanan bir zorluğun cihazların dinamik sıkıştırma sırasında yüksek toplama verimliliği ve olumlu bir kullanıcı deneyimi sağlaması gerektiği olduğunu fark ettiler. Araştırmacılar gösterdi ki küçük amfifiller, malzeme yüzeylerinde belirli konformasyonlarda birleştirilerek sürtünme, haptik ve triboelektrik özellikleri ayarlamak için kullanılabilir. Amfifiller, insan derisiyle sürtünmeyi azaltmak için tüketici ürünlerinde sıkça kullanılan moleküllerdir. Örneğin, bu moleküller sürtünmeyi önlemek amacıyla bebek bezlerine eklenir. 

Bu çalışmayı yönlendiren arayış ve motivasyonlar hakkında konuşurken, çalışmanın bir makalesinin yazarlarından Lilian Hsiao, … şu sözleri söyledi:

“Farklı amfifillerin farklı malzemelerin yüzey sürtünmesini nasıl etkilediğine dair ayrıntılı temel bir anlayış sağlayacak bir model geliştirmeyi amaçladık.”

Araştırmacılar, özellikle π-π yığını sayesinde, baskı altında birden fazla kayma düzlemi oluşturan moleküllerin, düzensiz mezostrüktürler oluşturanlara göre %80 ila %90 daha düşük sürtünme ürettiğini gördüler. Sonuç olarak, araştırmacılar sürtünme azaltma özelliklerini yapışma ve temas mekaniğini hesaba katan bir ölçeklendirme çerçevesi önerdiler.

Amfifil kaplı yüzeylerin aşınmaya karşı direnç gösterdiğini ve belirgin bir dokunsal algı yarattığını, insanların daha kaygan malzemeleri tercih ettiğini fark ettiler. Başka bir açıdan, yüksek elektron afinitesi olan amfifiller kullanarak triboelektrik çıktıyı da artırabilirler.

Genel olarak, baskı altında kaygan düzlemler halinde kendiliğinden örgülenebilen moleküller, haptik güç toplayıcıların ölçekli geliştirilmesini ilerletmenin kolay bir yolunu temsil etti. Daha pratik bir ifadeyle, araştırmacılar amfifilleri kullanarak insan derisine karşı hoş hissettiren kaygan yüzeyli giyilebilir kumaşlar oluşturmanın mümkün olduğunu buldular. 

Ayrıca, araştırmacılar bazı amfifillerin, doğuştan gelen elektronik özellikleri sayesinde elektron vericisi olarak çalışabileceğini buldular. Bu elektron veren amfifiller, giyilebilir malzemelere dahil edildiğinde, insan derisine sürtünerek elektrik üretebilen konforlu bir malzeme ortaya çıkardı.  

Özetle, Hsiao’nun vurguladığı gibi, kavram kanıtı testlerinde araştırmacılar bu amfifil malzemelerin sadece ciltte hoş hissettirmekle kalmayıp, aynı zamanda 300 volta kadar üretebildiğini buldular; bu, küçük bir parça için dikkate değer bir değerdir.

Saad Khan:

“Bu malzemeleri mevcut haptik cihazlara nasıl entegre edebileceğimizi keşfetmek gibi daha fazlasını yapmakla ilgileniyoruz. Ve yeni uygulamaları belirlemek için endüstri ortaklarıyla çalışmaya açığız.”

Araştırma ve endüstriyel benimsemenin el ele gitmesi gerekirken, birçok şirket zaten vücuttan enerji toplayarak giyilebilir teknoloji cihazlarını çalıştıracak ürünleri araştırmada derinlemesine çalışıyor. Aşağıdaki bölümlerde, tartıştığımız araştırmadan fayda sağlayabilecek bu öncü şirketlerden birkaçını ele alacağız. 

1. Medtronic PLC

Giyilebilir teknolojiyle geniş çapta çalışan şirketlerden biri Medtronic’tir. Bu büyük halka açık med-teknoloji dev şirket, belki de haptik enerji toplayıcılarından yararlanmak için en iyi konumlanmış olanlardan biridir. 

Medtronic’in en önemli ürünlerinden biri, çok parametreli, tıbbi sınıf giyilebilir cihaz olan BioButton’dur; akıllı hasta izleme için tasarlanmıştır. Önemli yaşam belirtileri ve biyometrik veriler hakkında trend verileri sağlar ve hastanın durumunun kötüleşmesinin erken bir göstergesi olarak hizmet eder.

Hastanın durumunun kötüleşmesinin öncü göstergelerinin sürekli izlenmesi için tasarlanan bu monitör, dinlenme solunum hızı, dinlenme kalp hızı, cilt sıcaklığı ve bir dizi biyometriyi ölçebilir. Giyilebilir cihaz, araştırmacıların trend verileri incelemesine olanak tanıyarak klinisyenlerin müdahale gerektiren hastaları ve taburcu olmaya hazır hastaları belirlemesine yardımcı oldu.

2022 yılında, Medtronic, sürekli sağlık izleme ve klinik zeka şirketi BioIntelliSense ile BioButton’ın ABD hastanelerindeki ve 30 günlük post-akut hastane-ev dağıtım hakları için stratejik bir ortaklık kurdu. 

Ortaklığın duyurusu sırasında, Medtronic’te Medikal Cerrahi Portföyünün bir parçası olan Hasta İzleme işinin başkanı, Ph.D. Frank Chan şu sözleri söyledi:

“Vizyonumuz, klinisyenleri ve hastaları, her zaman, her yerde kişiselleştirilmiş bakım için eyleme geçirilebilir içgörülerle güçlendirmektir. BioIntelliSense ile iş birliğimiz sayesinde, hastaneden eve kadar kesintisiz, bağlantılı bakımı destekleyecek ve daha önce hiç olmadığı kadar çok hastaya daha fazla yerde yardımcı olma kapsamımızı genişleteceğiz.”

2. Philips

Medtronic gibi, başka bir teknoloji devi olan Philips de giyilebilir teknoloji geliştirmek için çok sayıda Ar-Ge çabası harcamaktadır. Philips’in hasta üzerindeki izleme çözümleri, hastaların bakım birimi veya hastane içinde serbestçe hareket etmelerini sağlar.

Konfor için tasarlanan Philips’in hasta üzerindeki cihazları, verileri ve alarmları ihtiyaç duyulan yere, örneğin merkezi hemşirelik alanına, uzaktan gözlem alanına veya bakım verenin mobil cihazına kablosuz teknolojiyle iletir. Cihazlar, genel ve orta seviye bakım hasta popülasyonlarının klinik ihtiyaçlarını karşılamak için çeşitli ölçüm yeteneklerine sahiptir. 

Ürünün marka adı Intellivue MX40’tır. Kullanıcılar, IntelliVue MX40’ı tek kullanımlık AA pillerle veya tek bir Philips şarj edilebilir pil ile çalıştırabilir. Cihaz, türev 12-lead ECG bilgisini elde ederken sürekli ST ve QT, FAST SpO2 ve impedans solunumu izlemeyi destekler. 5 ekran formatına kadar, ihtiyaç duyulan bilgi tek bir dokunuşla kolayca erişilebilir.

Cihaz, vital işaretleri yakalamak veya daha kapsamlı görüntüleme için IntelliVue monitörlerine kablosuz kısa menzilli bir bağlantı sunar. Cihaz, toz ve sıvı birikimini azaltmak için tasarlanmış benzersiz bir kablo konektörüne ve periyodik sterilizasyon dahil yüksek seviyeli dezenfektanlara dayanabilen bir kasa tasarımına sahiptir.

En son mevcut bilgilere göre, 2023 yılında, Philips 18,2 milyar Euro satış gerçekleştirdi, %6 karşılaştırılabilir satış büyümesi ve %10,6 ayarlanmış EBITA marjı elde etti. 

Medtronic ve Philips gibi büyük teknoloji şirketleri, Haptik Enerji Toplayıcılarından büyük ölçüde faydalanabilecek ürünler geliştirirken, aynı çizgide çalışan birkaç araştırma kuruluşu daha bulunmaktadır. 

İlerleyen bölümlerde, bu alanda devrim yaratma potansiyeline sahip birkaç araştırma çalışmasını ele alacağız.

Vücut Isısından Enerji Toplayıp Elektriğe Dönüştüren Elektronik Prototip

Eylül 2024’te, Washington Üniversitesi araştırmacılarının, vücut ısısından enerji toplayabilen ve bu enerjiyi küçük elektronik cihazları, örneğin piller, sensörler veya LED’ler gibi, beslemek için kullanabilen esnek, dayanıklı bir elektronik prototip geliştirdikleri bildirildi. Cihazın dayanıklılığı, birkaç kez delinmiş ve 2000 kez gerilmiş olsa bile kullanılabilir olmasını sağlıyor. 
Kıdemli yazar, UW mekanik mühendisliği yardımcı doçenti Mohammad Malakooti’ye göre:

“Cihazı cildinize taktığınızda, vücut ısınızı doğrudan bir LED’i beslemek için kullanır. Cihazı taktığınız anda LED yanar. Bu daha önce mümkün değildi.”

Fonksiyonel olarak açıklamak gerekirse, cihazın üç ana katmanı vardır. Ortadaki katman, ısıyı elektriğe dönüştüren katı termoelektrik yarı iletkenlere sahiptir. Bu yarı iletkenler, düşük termal iletkenliğe sahip 3D yazıcı kompozitlerle çevrilidir; bu, enerji dönüşümünü artırır ve cihazın ağırlığını azaltır.

Ek olarak, esneklik, iletkenlik ve elektriksel kendini iyileştirme sağlamak için yarı iletkenler, basılmış sıvı metal izleriyle bağlanır. Ayrıca, dış katmanlardaki gömülü sıvı metal damlacıkları, yarı iletkenlere ısı transferini iyileştirir ve metal oda sıcaklığında sıvı kaldığı için esnekliği korur.

Teknolojinin faydaları ve daha büyük amacı hakkında konuşurken, Mohammad Malakooti şu sözleri söyledi:

“Bu, özellikle sunucuların ve bilgisayar ekipmanlarının büyük miktarda elektrik tükettiği ve ısı ürettiği, bu yüzden soğutmak için daha fazla elektriğe ihtiyaç duyulan veri merkezlerinde çok faydalı olabilir. Cihazlarımız bu ısıyı yakalayarak sıcaklık ve nem sensörlerini beslemek için yeniden kullanabilir.”

Şöyle ekledi:

“Bu yaklaşım, koşulları izleyen bağımsız bir sistem oluşturarak genel enerji tüketimini azaltır. Ayrıca, batarya değiştirme, bakım yapma veya yeni kablo ekleme gibi endişeler ortadan kalkar.”

Gelecekte, araştırmacılar bu teknolojinin sanal gerçeklik sistemleri ve diğer giyilebilir aksesuarlar içinde cilde sıcak ve soğuk hisler yaratmak veya genel konforu artırmak için kullanılabileceği konusunda iyimserdi. 

Bu gelişmeden üç yıl önce, Ekim 2021’de CU Boulder’daki araştırmacılar benzer bir atılım gerçekleştirdi. Bu araştırmaya bir sonraki bölümde bakacağız.

Vücut ısısını enerjiye dönüştüren akıllı kumaş hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Vücudu Bir Pil Haline Getiren Giyilebilir Cihaz

CU Boulder’daki araştırmacılar, insan vücudunu biyolojik bir pil haline getirebilen yeni, düşük maliyetli bir giyilebilir cihaz geliştirdi. 

Cihazın en çekici özelliklerinden biri, bir halka, bilezik veya kullanıcının cildine temas eden herhangi bir aksesuar olarak giyilebilecek kadar esnek olmasıydı. Kişinin doğal ısısını – termoelektirik jeneratörler kullanarak – vücudun iç sıcaklığını elektriğe dönüştürüyordu. 

Cihaz, her bir santimetrekare cilt alanı başına yaklaşık 1 volt enerji üretebiliyordu; bu, mevcut çoğu pilin sağladığından daha düşük voltaj olsa da, saatler veya fitness takip cihazları gibi elektronik cihazları beslemek için yeterliydi. 

Araştırmacılar, esnek bir malzeme olan poliimin üzerine bir temel oluşturarak, bu temele bir dizi ince termoelektirik çip yerleştirdiler ve hepsini sıvı metal tellerle bağladılar. Son ürün, bir plastik bilezik ile mini bir bilgisayar anakartı arasında bir şey gibi görünüyordu; belki de teknolojik bir pırlanta yüzük gibi.  

Çözüm, gücünün daha fazla jeneratör bloğu eklenerek artırılabilecek kadar esnekti. Bir araştırmacı, bu çözümü Legolarla karşılaştırdı:

“Bu, büyük bir yapı oluşturmak için bir dizi küçük Lego parçası birleştirmek gibidir. Size çok fazla özelleştirme seçeneği sunar.”

Son Nesil Giyilebilir Cihazları Güçlendiren Ultra İnce, Esnek Film

Daha yeni bir araştırma, Queensland Teknoloji Üniversitesi’nden bir ekip tarafından yürütülerek, vücut ısısını kullanarak sonraki nesil giyilebilir cihazları güçlendiren, pil ihtiyacını ortadan kaldıran ultra ince, esnek bir film geliştirildi.

Ayrıca, teknoloji elektronik çipleri soğutabilir, akıllı telefonların ve bilgisayarların daha verimli çalışmasına yardımcı olur.

Prof. Zhi-Gang Chen’e göre, ekibinin yeni araştırması prestijli dergi Science:

“Esnek termoelektrik cihazlar, insan vücudu ile çevre havası arasındaki sıcaklık farkını etkili bir şekilde elektriğe dönüştürerek ciltte rahatça giyilebilir.”

Bu teknolojinin potansiyel uygulamaları hakkında konuşurken, Prof. Chen, bilgisayar veya cep telefonu içinde dar bir alanda uygulanabileceğini ve çipleri soğutarak performansı artırabileceğini vurguladı. 

Diğer uygulamalar arasında kişisel termal yönetim yer alıyor; vücut ısısı, giyilebilir bir ısıtma, havalandırma ve klima sistemini besleyebilir. Araştırmacılar, benzer yeniliklerde de geçerli olan bazı zorlukları belirttiler. Bu zorluklar sınırlı esneklik, karmaşık üretim, yüksek maliyet ve yetersiz performansı içeriyordu.

Ancak, şu anda tartıştığımız araştırma, maliyet yönetimi konusunda bazı çözümler sundu. Çoğu araştırma, yüksek ısı-elektrik dönüşüm özellikleri nedeniyle bismut tellürideki termoelektriklere odaklanırken, ekip, bismut tellüridinin ince kristallerini veya “nano bağlayıcıları” kullanarak esnek termoelektrik filmler üretmek için maliyet etkin bir teknoloji tanıttı; bu, verimliliği ve esnekliği artırdı.

Daha spesifik olarak, ekip “solvotermal sentez” adlı bir teknik kullandı; bu teknik, yüksek sıcaklık ve basınç altında bir çözücü içinde nanokristaller oluşturur, ardından “ekran baskısı” ve “sinterleme” ile birleştirildi. 

Araştırmacılar, rekor yüksek termoelektrik performans, olağanüstü esneklik, ölçeklenebilirlik ve düşük maliyet sunan, A4 boyutunda yazdırılabilir bir film yarattılar. Ekran baskı yöntemi, büyük ölçekli film üretimine olanak tanırken, sinterleme filmleri erime noktasına yakın bir sıcaklığa ısıtarak parçacıkları birbirine bağladı. 

Çözüm, gümüş selenit bazlı termoelektrik gibi diğer sistemlerle de çalışabilir; bu malzemeler geleneksel malzemelere göre potansiyel olarak daha ucuz ve daha sürdürülebilir.

Son Sözler

Başarılı enerji yönetimi, bir teknolojik çözümün başarısını belirleyen en kritik eşik haline geldi. Vücut ısısını kullanarak giyilebilir teknolojiyi besleyen enerji toplama teknikleri, dış enerji veya güç gerektirmeden verimliliği sağlayan en umut verici yaklaşım olup, sürdürülebilir çözümler sunar. Artan benimsenme ile, bu çözümlerin ölçekli ticari üretime uygun hale gelmesi, maliyetleri düşürmesi ve erişilebilirliği artırması artık sadece zaman meselesidir.  

Çalışma Referansı:

^{1. Jani, P. K., Yadav, K., Derkaloustian, M., Koerner, H., Dhong, C., Khan, S. A., & Hsiao, L. C. (2025). Ayarlanabilir haptik enerji toplayıcıları için kaygan yüzeyde birleştirilen amfifillerin sıkıştırılması. Science Advances, 11(3), eadr4088. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4088}