Naukowcy odkryli jak pobierać energię z ludzi

Dzisiejsze urządzenia konsumenckie przeszły długą drogę od czasów porażki Google Glass. Badanie Pew Research z zeszłego roku wykazało, że mniej więcej co piąty dorosły Amerykanin (21%) regularnie nosi smartwatch lub urządzenie do noszenia na ciele. Trend ten pomaga napędzać dynamiczny wzrost, a rynek konsumenckich urządzeń do noszenia („wearables”) ma wzrosnąć z prawie 37,10 mld USD w 2020 r. do 104,39 mld USD do 2027 r. dzięki postępom w rozwoju czujników, materiałoznawstwa i oraz usług w chmurze. 

Nowoczesny ekosystem urządzeń do noszenia obejmuje całą gamę czujników, od konwencjonalnych trackerów sportowych, smartwatchy i kamer na ciele po pulsometry i okulary. Urządzenia do noszenia nowej generacji będą również obejmować urządzenia rozszerzonej, wirtualnej, mieszanej i rozszerzonej rzeczywistości, różne inteligentne ubrania i przemysłowe „wearables”.

Rozwój tej branży wydaje się nieunikniony wraz z rozwojem technologii w ogóle. Wyzwaniem jest dostosowanie konkretnych produktów do potrzeb i wygody konsumentów.

A teraz możesz dodać interfejs do ciała do rosnącej listy możliwości nowoczesnych urządzeń do noszenia. 

Naukowcy z National University of Singapore (NUS) zaprezentowali pierwsze autonomiczne pod względem zasilania urządzenia noszone na skórze, które mogą wykorzystywać ludzkie ciało jako medium do jednoczesnego odzyskiwania energii dla urządzeń noszonych w różnych miejscach na ciele, takich jak talia, nadgarstek, ramię, kostka i udo, z jednego źródła zasilania, takiego jak np. telefon komórkowy w kieszeni.

To znaczące odkrycie oznacza, że następna generacja biomedycznych urządzeń „wearables” będzie teraz w stanie wytrzymać długotrwałe działanie - co ma kluczowe znaczenie dla zastosowań takich jak ciągłe monitorowanie stanu zdrowia. 

Urządzenia do noszenia z interfejsem ciała

Technologia ubieralna i mobilne systemy opieki zdrowotnej są coraz bardziej popularnymi rozwiązaniami dla tradycyjnej opieki zdrowotnej ze względu na łatwość ich wdrożenia i opłacalność zdalnego monitorowania stanu zdrowia. Ostatnie postępy w badaniach, zwłaszcza miniaturyzacja czujników, znacząco przyczyniły się do komercjalizacji technologii ubieralnej. Większość tradycyjnych dostępnych na rynku czujników jest albo mechanicznych, albo optycznych, ale obecnie mikroigły podskórne są również używane do mikrodetekcji, takiej jak ciągłe monitorowanie stężenia glukozy. 

Pozostają jednak pewne kluczowe wyzwania, którymi należy się zająć, zanim wdrożenie na dużą skalę urządzeń do noszenia łączonych z ciałem i skórą stanie się rzeczywistością. Według National Center for Biotechnology Information (NCBI) największym wyzwaniem, przed którym stoją wszystkie te czujniki do noszenia, jest nasza skóra, która ma nieodłączną właściwość opierania się i ochrony ciała przed światem zewnętrznym.

Do tej pory dostarczanie energii do urządzeń do noszenia z interfejsem skórnym zwykle opiera się na bateriach, przewodach lub konwencjonalnym bezprzewodowym przesyłaniu energii (WPT). Niestety, wszystkie te metody mają kluczowe ograniczenia: baterie muszą być stale ładowane i wymieniane, podczas gdy przewody ograniczają ruch. Tymczasem WPT wydaje się najbardziej eleganckim rozwiązaniem z całej trójki. Jest to jednak praktyczne tylko na krótki dystans i jest również podatne na przerwy w przekazywaniu mocy przez rożne przeszkody. 

Wyniki opublikowane przez naukowców z NUS w Nature Electronics pokazują, że transmisja mocy sprzężona z ciałem jest nie tylko możliwością, ale także, że transmisja może odzyskać wystarczającą moc do zasilania ważnych urządzeń biomedycznych, nawet jeśli urządzenia nadajnika i odbiornika znajdują się na przeciwległych końcach ciało np. kostka i czoło.

Urządzenia do zbierania energii zawierają elektrodę, która odbiera na skórze pole elektryczne o długości fali od 20 do 80 MHz i przekazuje je do odbiornika. Transmisja sprzężona z ciałem faktycznie przewyższała transmisję mocy o częstotliwości radiowej (RF) o 70 i 50 dB, odpowiednio przy 2,4 GHz i 900 MHz.

Zwiększone pokrycie obszaru przez urządzenia sprzężone z ciałem w porównaniu z transmisją RF pozwoliło naukowcom na dostarczenie 1,2 mW mocy z nadajnika na jednym nadgarstku do elektrody na przeciwległym nadgarstku oddalonej od siebie o 120 cm i odzyskanie 1,1 μW pierwotnego impulsu energetycznego. Wyniki były równie zachęcające w przypadku elektrod na kostce i czole (odstęp 160 cm), przy czym naukowcy byli w stanie odzyskać 2 μW – wystarczająco dużo, aby zasilić nadający się do noszenia czujnik elektrokardiogramu (EKG).  

Jeszcze bardziej zachęcający jest fakt, że ilość energii odzyskiwanej przez odbiornik jest niezależna od rozmiaru elektrody lub liczby urządzeń odbiorczych, co umożliwia jednoczesne monitorowanie i przyszłą miniaturyzację urządzeń.

Co zaskakujące, technologia może również korzystać z zewnętrznych źródeł zasilania, takich jak laptop lub linia energetyczna 50/60 Hz w przypadku braku aktywnego źródła zasilania. Na przykład zespół NUS był w stanie odzyskać 2 μW z ładującego laptopa oddalonego o 50 cm, co czyni tę technologię dobrym uzupełnieniem istniejącego bezprzewodowego przesyłania energii ze sprzężeniem powietrznym.

Ludzka bateria

Inne porównywalne postępy w świecie urządzeń do noszenia prawdopodobnie sprawią, że w niedalekiej przyszłości będą one występować powszechnie.  

Często wymienianym powodem, dla którego urządzenia do noszenia, takie jak Apple Watch, Google Glass i Samsung Galaxy S3 Frontier nie podbiły rynku, poza tym, że wyglądają zbyt nerdowo, jest niska żywotność baterii. Większość urządzeń do noszenia jest zbyt energochłonna i wymaga ciągłego ładowania.

Ale przy odrobinie szczęścia Twój następny smartwatch lub monitor fitness może działać znacznie dłużej między ładowaniami dzięki technologii, która zmieni Cię w biologiczną baterię.

Naukowcy z University of Colorado Boulder opracowali nowe, niedrogie urządzenie do noszenia, które wykorzystuje generatory termoelektryczne do przekształcania wewnętrznego ciepła użytkownika w energię elektryczną.

Wynalazca, Jianliang Xiao, profesor nadzwyczajny w Departamencie Inżynierii Mechanicznej im. Paula M. Rady w CU Boulder, mówi, że jego urządzenie bije na głowę inne podobne termoelektryczne urządzenia do noszenia, ponieważ jest rozciągliwe, może samo się naprawić po uszkodzeniu i w pełni nadaje się do recyklingu – co oznacza, że jest "czystszą" alternatywa dla tradycyjnej elektroniki. Urządzenie będzie w stanie generować około 1 wolta energii na każdy centymetr kwadratowy powierzchni skóry – niewiele, ale wciąż wystarczająco, aby zasilać elektronikę, taką jak smartwatche czy urządzenia do monitorowania kondycji.

Urządzenie zaczyna się od podstawy wykonanej z rozciągliwego materiału zwanego poliimidą, w którą naukowiec wbija szereg cienkich termoelektrycznych chipów, łącząc je wszystkie przewodami z ciekłego metalu. Produktem końcowym jest rozciągliwe urządzenie, które wygląda jak skrzyżowanie plastikowej bransoletki i miniaturowego procesora, który wychwytuje nadmiar ciepła emitowanego podczas treningu, zamiast pozwolić mu się zmarnować.