Termoelektrik Cihazda Çığır Açan Gelişme Giyilebilir Teknolojileri İlerletecek

Queensland University of Technology (QUT) araştırma ekibi, sadece vücut ısımızı kullanarak giyilebilir cihazları güçlendirecek esnek ve son derece ince bir film geliştirdi, böylece pillerin gerekliliğini ortadan kaldırıyor. 

Yeni teknoloji, akıllı telefon ve bilgisayarlardaki elektronik çipleri soğutmak için de kullanılabilir; bu sayede daha verimli çalışmaları ve stabilitelerinin artması sağlanır.

ARC Araştırma Merkezi Zero-emisyon Güç Üretimi için Karbon Nötrlüğü (ZeroPC) kurucu direktörü Profesör Zhi-Gang Chen’e göre, bu çığır, vücut ısısını enerjiye dönüştüren termoelektrik bir cihaz oluşturmadaki temel zorluğu ele alıyor. Cihaz, giyilebilir elektronikler için sürdürülebilir bir enerji kaynağı olma potansiyeline sahip.

Esnek termoelektrik cihazlar hakkında konuşurken, Profesör Chen şöyle açıkladı:

“Cilt üzerine rahatça takılabilirler ve insan vücudu ile çevre havası arasındaki sıcaklık farkını etkili bir şekilde elektriğe dönüştürürler.”

Mükemmel Bir Termoelektrik Giyilebilir Cihaz İnşa Etmek

Vücut ısısını enerjiye dönüştürebilen cihazlar, büyük ilgi ve araştırma konuları olmasına rağmen, şu anda yüksek maliyetler, karmaşık üretim, sınırlı esneklik ve yetersiz performans gibi zorluklarla karşılaşıyor; bu da kitlesel üretim ve benimsenmesini engelliyor. 

Kaynak: Queensland University of Technology

En son çalışmada, Science dergisinde yayınlanan, QUT ekibi esnek termoelektrik filmler oluşturmak için maliyet-etkin bir yöntem tanıttı. Bunun için, bismut tellürid tabakalarının tutarlı bir katmanını oluşturan ve hem esnekliği hem de verimliliği artıran çok küçük kristaller ya da ‘nanobinder’lar kullandılar.

Bismut tellürid (Bi2Te3), araştırmacıların bu tür cihazlar inşa etmek için yaygın olarak kullandığı bir malzemedir. Gri toz, bismut ve tellürün bir bileşiğidir. Kimyasal olarak kararlı bu yarı iletken, ısıyı elektriğe dönüştüren mükemmel özellikler sergiler ve hareket, kalp atış hızı ve sıcaklık izleyicileri gibi düşük güç uygulamaları için idealdir.

Dolayısıyla, QUT ekibi A4 boyutunda, “rekor düzeyde termoelektrik performans, olağanüstü esneklik, ölçeklenebilirlik ve düşük maliyet” sunan ve mevcut en iyi esnek termoelektriklerden biri olan bir baskı filmi yarattı, dedi Profesör Chen.

QUT ekibinin baskı filmi, yüksek yönlendirilmiş taneler olarak Bi2Te3 tabanlı nanoplakalar ve “nanobinder” olarak Te nanodallarından oluşur. 

Burada kullanılan teknik, yüksek sıcaklık ve basınç altında bir çözücüde nanokristaller oluşturan “solvotermal sentez” idi. Bu teknik, parçacıkları birleştirmek için filmleri erime noktasına yakın bir sıcaklığa ısıtan “sinterleme” ve büyük ölçekli film üretimini mümkün kılan “serigrafik baskı” ile birleştirildi.

Ekibin kullandığı yöntem, geleneksel malzemelere göre potansiyel olarak daha ucuz ve daha sürdürülebilir olan gümüş selenür (Ag2Se) tabanlı termoelektrik gibi diğer inorganik sistemlerle de çalışabilir; bu da tekniğin geniş uygulanabilirliğini gösteriyor.

“Bu malzemelerdeki esneklik, yaklaşımımızın esnek termoelektrik teknolojisini ilerletme konundaki geniş kapsamlı olanaklarını gösteriyor.”

– Çalışmanın ilk yazarı, Wenyi Chen

Çalışmaya göre cihaz, >3 μW cm−2 K−2 normalleştirilmiş güç yoğunluğuna ulaştı ve ekip, bunun “ekran baskılı cihazlar arasında en yüksek seviyelerden biri” olduğunu belirtiyor. 

Böylece, son araştırma akıllı saatler ve kişisel termal yönetim gibi giyilebilir cihazlar için güçlü bir çözüm sunuyor. Giyilebilir cihazları güçlendirmekle kalmayıp, bu termoelektrik cihazlar, bir akıllı telefonun içi gibi dar alanlarda da uygulanarak çipleri soğutmaya ve performansı artırmaya yardımcı olabilir. 

Örneğin, bir cihazın içine uygulandığında, film çip sıcaklığını 11,7 Kelvin’e kadar düşürebilir; bu da elektronik cihazlarda optimum performansın korunmasına yardımcı olur. 

Ekip bu esnek elektrikli cihazın performansını başarıyla artırırsa, geleceğin akıllı telefonlarını doğrudan güçlendirebilecekler, belirtti Chen, üniversitenin YouTube kanalında yayınlanan “Çığır, vücut ısısıyla çalışan giyilebilir cihazları gerçeğe daha yakın hâle getiriyor” başlıklı resmi videoda.

Cihazın diğer potansiyel uygulamaları arasında klima sistemleri ve havalandırma yer alıyor. QUT araştırma ekibi ayrıca termoelektrik cihazların akıllı giyimde ve otomotiv bileşenlerinde kullanılmasını öngörüyor.

Bu sadece bir başlangıç; bir sonraki adımda ekip, teknolojinin performansını optimize etmeye ve ölçeklendirmeye odaklanacak. Teknolojiyi ticarileştirmek, ölçekli maliyet etkinliği, dayanıklılık ve mevcut cihazlarla entegrasyon gibi zorlukların üstesinden gelmeyi gerektiriyor.

Daha fazla araştırma ve sürekli geliştirme, bu cihazların tüketici elektroniğinden tıbbi ve otomotiv uygulamalara kadar çeşitli sektörlerde enerji verimliliğini devrim niteliğinde artırmasına yardımcı olacaktır.

Sağlık odaklı giyilebilir cihazların önleyici bakımı nasıl ilerlettiğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Giyilebilir Teknolojideki İlerlemeler

Günümüzün teknolojik olarak gelişmiş dünyasında, giyilebilir cihazlar popüler ve son derece faydalı bir yenilik olarak ortaya çıktı. 

Giyilebilirler, basitçe vücut üzerine takılmak veya kıyafetlere eklenmek üzere tasarlanmış mobil elektronik cihazlardır. Yaygın giyilebilir teknoloji türleri arasında akıllı saatler, akıllı gözlükler ve yüzük ve bileklik gibi akıllı takılar bulunur. Bu cihazlar kişisel verileri izler, analiz eder ve iletir.

Giyilebilirlerin en belirgin uygulamalarından biri sağlık alanında bulunmuştur. Vücut sıcaklığı, kan basıncı, kalp atış hızı ve diğer hayati belirtileri izlemek için kullanılabilirler. Bu cihazların uygulamaları, hipertansiyon ve kas bozuklukları gibi fizyolojik hastalıkların yanı sıra Alzheimer hastalığı ve Parkinson hastalığı gibi nörokognitif bozukluklara da uzanmaktadır. Giyilebilirler ayrıca kişiselleştirilmiş sağlık hizmetlerine yardımcı olan bir ilaç dağıtım sistemi olarak da kullanılmaktadır. 

Farklı tipte giyilebilir cihazlar şu anda sağlık alanında kullanılmaktadır. Bu, e-deri, giyilebilir yelekler, akıllı yüzükler, kulaklıklar ve tükürük, gözyaşı ve idrar gibi biyofluidleri kullanan biofluidik tabanlı cihazları içeren deri tabanlı giyilebilir cihazları kapsar. 

Sağlık dışında, giyilebilirler başkalarıyla iletişim kurmak, ödeme yapmak ve aktivite seviyelerini izlemek, ayrıca yaşam tarzı, oyun, spor, fitness, güvenlik ve savunma sektörlerinde kullanılmaktadır.

Yıllar içinde, giyilebilir teknoloji çeşitli şekillerde ilerledi. İlk olarak, araştırmacılar ve şirketler bu cihazları inşa etmek için daha iyi malzemeler aramaktadır. Esnek, gerilebilir malzemeler ve yumuşak, ultra ince tasarımlar, bu cihazların rahatça takılmasını ve işlevselliğini korumasını sağlar.

Örneğin, yüksek iletkenlik ve biyouyumluluk sağlayan gallium bazlı sıvı metaller, vücutla daha iyi uyum sağlayan biyoelektroniklerin öncüsü konumundadır.

Tasarım açısından, teknoloji geleneksel yöntemlerden önemli ölçüde evrimleşti ve artık insan vücudu ile sorunsuz entegrasyona daha fazla odaklanıyor. E-tatolar bunun harika bir örneğidir; son derece ince, deri yumuşak elektronikler olup cilde uyum sağlar ve fizyolojik ve psikolojik bilgileri invazif olmayan bir şekilde dijitalleştirir.

Bu cihazların miniaturizasyonu, baskılı elektronik ve akıllı kumaşlarla birlikte, çeşitli fiziksel parametreleri izleyebilen sensörlere yol açtı; elektrotlar ise aktiviteyi ölçmek için tekstillere yerleştiriliyor. Örneğin, giyilebilir ter sensörleri, ter yoluyla sağlık göstergelerini sürekli ve invazif olmayan bir şekilde izleyerek hassas tıbbı güçlendiriyor. 

Kaynak: MDPI

Giyilebilir akıllı kimyasal sensörlerde de çok fazla ilerleme kaydediliyor; bu sensörler sağlık, çevre izleme ve güvenlik değerlendirmelerinde artan bir uygulama buluyor. 

Sensör tasarımı ve üretiminde çeşitli yenilikçi yaklaşımlar benimsenmiştir; bu sistemlerden biri, polivinil alkol/boraks/agaroz/NaNO3 elektroliti ve çok duvarlı karbon nanotüp elektrotlarını altın nanosheet’lere entegre ederek NO2 tespit etmeye yöneliktir. Sistem, geliştirilmiş performans ve kendini onarma yetenekleri göstererek giyilebilir uygulamalar için mükemmel bir seçenek sunar.

Giyilebilir Teknolojinin Sınırlamalarının Üstesinden Gelmek

Bu yeniliklerin giyilebilir cihazları daha iyi ve daha etkili hâle getirmesine rağmen, özellikle sağlık sektöründe farklı endüstrileri dönüştürürken, stabilite ve gizlilik gibi sınırlamalarla karşı karşıyadırlar. 

Örneğin, bu giyilebilirlerdeki sensörlerden alınan veriler sürekli vücut hareketi nedeniyle bozulma ve gürültüye maruz kalabilir. 

Giyilebilirlerde kullanılan piller başka bir önemli zorluk teşkil ediyor. Güç kaynaklarının sınırlamaları, araştırmacıları piezoelektrik nanogeneratörler (PENG) gibi kendi kendine çalışan sensörler ve triboelektrik nanogeneratörler (TENG) gibi mini enerji toplama cihazları gibi çeşitli çözümler aramaya yöneltti.

Özellikle termoelektrik jeneratörler, giyilebilir teknoloji alanında büyük ilgi görmektedir. 2017 yılında Zhejiang Üniversitesi ve Xidian Üniversitesi araştırmacıları, insan vücudu enerjisini toplamak için bir giyilebilir termoelektrik jeneratör tasarımı üzerine bir makale yayınladı. 

En son araştırma gibi, bu çalışma da Bi2Te3 tabanlı termoelektrik malzeme kullanarak 12 K sıcaklık farkı için 48 mV gerilim üretebilen bir cihaz oluşturdu. İnsan bileği derisine monte edildiğinde, termoelektrik jeneratörün çıkış gücü 25 °C ortam sıcaklığında 130,6 nW oldu; bu da insan vücudu ısısı enerjisi toplama ve giyilebilir kendi kendine güç sağlayan mobil cihazların geliştirilmesi potansiyelini gösteriyor.

Bir başka çalışma, vücut ısısı toplama uygulamaları için termoelektrik jeneratörlerin (TEG’ler) tasarımında ilerlemeler kaydetti. Sorun şu ki, vücut sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasında 10‑15 °C fark vardır, ancak cildin termal direnci nedeniyle giyilebilir bir TEG’den sadece çok az bir kısım geçebilmektedir.

Giyilebilir TEG’lerin zorluklarının üstesinden gelmek için kapsamlı bir yarı-3D analitik model geliştirildi ve ardından mikrodalga işleme tekniği kullanıldı yüksek performanslı termoelektrik nanokompozitlerin sentezlenmesi için; bu, termal iletkenliğin güçlü bir şekilde azalmasına ve insan vücudundaki ticari TEG’lere göre 4‑7 kat daha yüksek güç yoğunluğu gösteren TEG’lerin ortaya çıkmasına yol açtı.

Sadece bu yıl içinde, giyilebilirler için termoelektrik cihazlara odaklanan birçok araştırma çalışması yayınlandı. 

Birkaç ay önce Washington Üniversitesi araştırmacıları da geliştirdi vücut ısısından enerji toplayıp elektriğe dönüştürebilen, ardından küçük elektronik cihazları besleyebilen son derece esnek ve yumuşak bir prototip. UW ekibi, esnek termoelektrik cihazları (TED’ler) için 3D yumuşak mimariler, katı yarı iletkenler, çok işlevli kompozitler ve kendini iyileştiren sıvı metal iletkenler kullandı.

Enerji toplamanın yanı sıra, tüm bu çalışmaların odak noktası hafif ve esnek termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi, çeşitli vücut bölümlerine uyacak şekilde uyarlanabilir yüzeylerin tasarlanması, giyilebilirlerin işlevselliğinin artırılması ve maliyet etkinliği ile ölçeklenebilirliğin sağlanması olmuştur.

Hızla Büyüyen Giyilebilir Pazar

Giyilebilir teknolojideki ilerleme ve bunun sonucunda işlevselliğin artması, bu cihazların benimsenmesini artırdı. Giyilebilir cihazlara artan ilgi, pazarının bu on yıl içinde 150 milyar doların üzerine çıkması öngörülüyor. 

Özellikle akıllı saatler ve fitness takipçileri gibi giyilebilir cihazların pazarı bir süredir artıyor. Pandemi sırasında kişisel sağlık herkesin odak noktası haline geldiği için bu cihazlar patlama yaşadı. Bu cihazlar giderek daha fazla metrik ekliyor ve bir tıbbi cihaz seviyesine yaklaştıkça, daha fazla tüketici benimseyen bir hal alıyor.

Fitness ve sağlık dışında, teknoloji devleri sanal, artırılmış ve karma gerçeklik (VR, AR & MR) giyilebilirlerine özel bir ilgi gösteriyor. Akıllı giyim ve e-tekstil de dikkat çekiyor ancak üretim ölçeklenebilirliği ve ürün ekonomisi açısından zorluklarla karşılaşmaya devam ediyor. 

İlginç bir şekilde, giyilebilir ödeme hizmetleri pazarı büyük bir hızla büyümesi bekleniyor, %13,6 CAGR ile 120 milyar dolara ulaşacak. Bu büyüme, akıllı telefonlarda, fitness takipçileri ve diğer giyilebilirlerde yakın alan iletişimi (NFC) benimsenmesiyle destekleniyor. 

Giyilebilir teknoloji ürün tipleri arasında elektronik deri yamaları, göğüs kayışları, akıllı kontakt lensler ve giyilebilir kameralar da bulunmakta ve ilgi çekmektedir.

Bir son rapora göre, küresel giyilebilir cihaz sevkiyatlarının bu yıl %6’dan fazla yıllık (YoY) artarak neredeyse 538 milyon birime ulaşması bekleniyor. Bu büyüme, iyileşen ekonomi ve gelişmekte olan bölgelerde giyilebilirlerin artan benimsenmesiyle destekleniyor.

Bu büyüme, sektörler arasında dengesiz olacak; giyilebilirler, giyilebilir pazarının %60’ından fazlasını temsil ederken, fiyatların istikrar kazanmasıyla bir artış görmesi bekleniyor. Akıllı saatler ise %3 düşüş bekleniyor; bu, ilk kez yıllık bir düşüş, ancak gelecek yıl %4,8 büyüme bekleniyor. Bu yükselen fiyatlar ve sınırlı tasarım değişikliklerinden kaynaklanıyor.

Gelişen Giyilebilir Cihazlar 

Gelişen giyilebilir cihazlardan bahsedildiğinde, fitness ve sağlık sektörleri öncülük ediyor. 

Sağlıkta, akıllı saatler ve yamalar şeklinde gelen giyilebilir elektrokardiyogram (ECG) cihazları, uzaktan kardiyak bakımı dönüştürüyor. Bu cihazlar, ECG verilerini depolayan uygulamalarla eşleşir; doktorlar bu verileri uzaktan inceleyebilir ve proaktif sağlık yönetimi sağlayarak daha sağlıklı yaşam tarzlarına yol açar. 

Günümüz giyilebilirleri, gelişmiş sensörlerin yardımıyla giyenlerin hayati belirtilerini sürekli olarak toplar ve gerçek zamanlı veri sağlar. Örneğin, Sürekli glikoz izleme (CGM), kan şekeri seviyeleri hakkında gerçek zamanlı içgörüler sunarak hastaların sağlıklarını evlerinin konforundan izlemelerine olanak tanır.

Şirketler arasında artan bir odak da kalp atış hızı monitörlerine yönelmiştir. Casio G‑Shock Rangeman gibi akıllı saatler, GPS ve sensörler sayesinde vücut hareketlerini ve doğal ortam değişikliklerini doğru bir şekilde tespit eden kalp atış hızı monitörüne sahiptir. Ardından Garmin‘in (GRMN ) kalp atış hızı monitörleri geliyor; bu monitörler, kadınların spor sütyenlerine doğrudan takabilmesi için konforlu bir tasarıma sahiptir.

Göründüğü gibi, erişim kolaylığı, giyilebilir cihazlar geliştiren teknoloji şirketlerinin odak noktasıdır. Bu Oura akıllı yüzükler için de geçerlidir; parmağa takılabilir. Bant, hareketi belirlemek için 3D ivmeölçer, vücut sıcaklığını izlemek için NTC sensör ve kalp atış hızını takip etmek için PPG sensörle donatılmıştır. 

Daha sonra, uyku, kalp sağlığı ve adet döngülerini izlemeyi sağlayarak kadın odaklı bir tasarım benimseyen Evie Smart Ring var. Giyilebilir biyosensörler ise, kortizol seviyeleri gibi biyobelirteçlerdeki ince değişiklikleri tespit ederek stres yönetimi için umut verici yollar sunuyor. 

Şirketler ayrıca antrenman sırasında kullanıcıları yönlendiren kulaklıklar geliştirirken, GyroGlove gibi özel eldivenler Parkinson hastaları için titremeyi azaltmak ve yaşam kalitesini artırmak amacıyla tasarlanıyor.

Eğlence dünyasında, Xreal Air gibi giyilebilirler kullanıcılara içerik izleme ve oyun oynama imkanı sunarken, Meta‘nın (META ) akıllı gözlükleri içerik oluşturma ve paylaşma yeteneği sağlar. Ardından, sekiz çekirdekli, 2,1 GHz Qualcomm (QCOM ) işlemciyle çalışan ve fotoğraf çekebilen, metin mesajları gönderebilen ve aramaları yanıtlayabilen Ai Pin gibi giyilebilir cihazlar bulunur.

Termal küpe hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Giyilebilir Sektöründe Hakim Şirketler

Şirketlerden bahsedilecek olursak, Apple (AAPL ) Apple Watch gibi akıllı ürün portföyü sayesinde bu alanda lider konumda. Saatin kapsadığı temel sağlık ölçümleri arasında kalp atış hızı, solunum hızı, bilek sıcaklığı, kan oksijen seviyesi ve uyku süresi bulunur.

Piyasa değeri 3,75 trilyon dolar olan dünyanın en büyük şirketi, şu anda hisse fiyatı 248 dolar ve bu yıl %28,88 artış gösterdi. Apple’ın EPS (TTM) 6,07 ve P/E (TTM) 40,88 olup %0,40 temettü getirisi var. 28 Eylül 2024’te sona eren çeyrek için, şirket iPhone 16 serisini, AirPods 4’ü ve işitme sağlığı ve uyku apnesi tespiti özelliklerine sahip Apple Watch Series 10’u piyasaya sürdü; teknoloji devi açıkladı 94,9 milyar dolar gelir.

Bu arada, Google 2021’de satın aldığı Fitbit aracılığıyla giyilebilir pazarını ele geçiriyor. Çinli şirket Huawei de bu yıl yaklaşan giyilebilir cihazları güçlendirmek için TruSense sistemini piyasaya sürdü. Alanda öne çıkan diğer isimler Samsung Group , Sony Corporation (SONY ), Microsoft (MSFT ) ve Garmin.

Sonuç

Giyilebilir teknoloji, büyük ilgi ve gelişme gören hızla büyüyen bir pazar. Ayrıca, QUT ekibi tarafından elde edilen termoelektrik teknolojisindeki çığır, bu cihazların artık bataryalara bağımlı olmadığı daha gelişmiş bir geleceğe kapı açıyor; bu da hafif ve daha verimli giyilebilirlere yol açıyor. 

Ama tüm bu malzeme ve tasarım ilerlemeleri küresel giyilebilir pazarını yönlendirse de, maliyet, ölçeklenebilirlik ve dayanıklılık konusunda hâlâ zorluklar var. tüm bu çığır pratik uygulamalarda kullanılabilir ve günlük hayatımıza entegre edilebilir!

Yatırım yapabileceğiniz en iyi giyilebilir sağlık izleme şirketlerinin listesi için buraya tıklayın.