Kunnen we onze elektronische apparaten binnenkort van stroom voorzien met draagbare energieopwekkers?

Elektronische apparaten flexibel maken

Met smartphones zijn we eraan gewend geraakt om altijd elektronica bij ons te hebben. Dit doen we echter nog steeds met een log blok metaal en plastic, dat, als het al iets is, elk jaar groter en zwaarder wordt.

De volgende stap zou zijn om elektronische apparaten naadloos in onze kleding te integreren. Dit is al begonnen met draagbare elektronica zoals smartwatches en andere op gezondheid gerichte wearables.

Een stap verder zou zijn om elektronica direct in onze kleding te integreren. Maar daarvoor zou het heel flexibel en lichtgewicht moeten zijn. Er is in die richting al stevige vooruitgang geboekt:

• Buigbare schermen worden tegenwoordig standaard ingebouwd in high-end smartphones van Samsung en Huawei.
• Buigzame en rekbare batterijen gemaakt van polymeren worden ontwikkeld.
• Microprocessoren kunnen ook gebogen worden.

Dus als schermen, batterijen en zelfs processors nu flexibel en buigbaar zijn, wat houdt ons dan nog tegen om wearables in onze kleding te integreren? Het is nog steeds een serieus obstakel om ze allemaal van stroom te voorzien.

Maar dit zou kunnen veranderen dankzij een ontdekking van Koreaanse onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Hannam University, Yonsei University, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) en Jeonbuk National University.

Ze ontwikkelden een draagbare energieoogster die 280 keer efficiënter is dan conventionele apparaten, dankzij een nieuw type piëzo-elektrische energieoogster.

Het werd gepubliceerd in ACS Nano, onder de titel "Krommingsspecifiek koppelingselektrodeontwerp voor een rekbare driedimensionale anorganische piëzo-elektrische nanogenerator¹'.

Tribo-elektrische en piëzo-elektrische apparaten

Energie-oogsters zijn systemen die energie produceren uit bewegingen. Er zijn over het algemeen twee typen, gebaseerd op of ze werken op het tribo-elektrische effect of het piëzo-elektrische effect.

Tribo-elektrische generatoren zijn wat over het algemeen elektrostatisch wordt genoemd, of wat er gebeurt als twee objecten elkaar raken of langs elkaar schuivenDit kan wel wat elektriciteit opwekken, maar is vaak te zwak om elektronica van stroom te voorzien.

Piëzo-elektrisch is het effect van het opwekken van elektriciteit als reactie op mechanische spanning, zoals buigen, knijpen, enz. Tot nu toe werden de meeste piëzo-elektrische energie-oogsters gemaakt van organische of composietgebaseerde piëzo-elektrische materialen, die een lage energie-efficiëntie hebben.

Het team van Pr Jang gebruikte een ander soort materiaal: loodzirconaattitanaat (PZT).

Bron: DGIST

PZT piëzo-elektrische generator

PZT staat al lang bekend om zijn uitstekende piëzo-elektrische prestaties, maar het is ook hard en broos. Daarom was het onwaarschijnlijk dat het gebruik ervan in rekbare apparaten en het vertrouwen op beweging om energie te genereren een duurzame generator voor wearables zou opleveren.

Daarom keken de onderzoekers naar hoe ze een op PZT gebaseerde 3D-structuur konden ontwerpen die ongevoelig zou zijn voor vervorming en rekbaarheid zou garanderen, terwijl de piëzo-elektrische capaciteit behouden zou blijven.

De eerste stap was het creëren van een gebogen elektrode met een bolle vorm die stroom produceert wanneer deze wordt uitgerekt.

Bron: ACS Nano

Vervolgens monteren ze de strengen van deze elektroden aan elkaar, vergelijkbaar met het gaas van een stuk stof of een rieten mand.

Bron: ACS Nano

Problemen oplossen

Omdat de elektroden met elkaar verweven zijn, kunnen ze elkaar gemakkelijk opheffen. Om dit te voorkomen, werden de elektroden verdeeld in convexe en concave gebieden, afhankelijk van de richting van de geïnduceerde uitgangsspanning.

De stroom kan door elke beweging van het lichaam worden opgewekt, zoals de onderzoekers hebben getest op de knie, de hand en zelfs de vingers.

Bron: ACS Nano

Hierdoor ontstond een zeer efficiënte piëzo-elektrische generator, die zowel extreem rekbaar was als de hoogste stroomdichtheid van alle apparaten van dit type vertoonde.

Bron: ACS Nano

“Het ontwikkelen van deze zeer efficiënte rekbare piëzo-elektrische energie-oogstertechnologie is een belangrijke prestatie van dit onderzoek. We verwachten dat deze technologie nuttig zal zijn na commercialisering en zal leiden tot het praktische gebruik van draagbare energie-oogsters.”

Pr. Kyung-In Jang – DGIST Afdeling Robotica en Mechatronica Engineering

Toepassingen

Wearables

De meest directe toepassing zou zijn om elektronica in kleding van stroom te voorzien wanneer we bewegen, bijvoorbeeld tijdens het lopen.

Dit kan nuttig zijn voor draagbare apparaten, met name apparaten voor gezondheidsmonitoring, die dan niet afhankelijk zijn van het regelmatig opladen van de batterij.

Medische implantaten

Eén specifiek type implantaat zou enorm kunnen profiteren van zo'n generator: hartimplantaten.

Het hart beweegt en trekt voortdurend samen, wat een stabiele energiebron kan zijn voor dergelijke medische implantaten.

De onderzoekers testten het concept door de generator in te kapselen in een polyimidefilm. Dit was nodig om de PZT effectief te isoleren van biovloeistoffen en weefsels, aangezien PZT giftig kan zijn.

Bron: ACS Nano

Leger

Een andere mogelijke toepassing is het leger, waar infanterie steeds afhankelijker wordt van energieverslindende sensoren, communicatie, elektronische oorlogsvoering, etc.

En het is nauwelijks praktisch om van gevechtseenheden te verwachten dat ze door een wirwar van kabels en batterijen moeten navigeren. Tegelijkertijd moeten ze al hun wapen, munitie, telecomoplossing, etc. hanteren. Een piëzo-elektrische generator die direct is aangesloten op flexibele elektronica in het uniform van de soldaten zou een goed alternatief kunnen zijn.

Investeren in wearables

Verwacht wordt dat draagbare technologie met 50% zal groeien. 14.6% CAGR tot 2030, ten opzichte van $61.2 miljard in 2022.

Bron: Grand View Research

U kunt via veel brokers investeren in bedrijven die zich bezighouden met wearables, en u kunt hier terecht. effecten.io, onze aanbevelingen voor de beste makelaars in de Verenigde Staten, Canada, Australië, Brittannië, evenals vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het kiezen van specifieke bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF's zoals de iShares Amerikaanse ETF voor medische hulpmiddelen (IHI) of de SPDR S&P Gezondheidszorgapparatuur ETF (XHE), wat zorgt voor een meer gediversifieerde exposure om te profiteren van de groeiende industrie voor draagbare apparatuur en medische apparatuur.

U kunt ook ons ​​artikel raadplegen “Top 6 medische hulpmiddelen aandelen'.

Draagbare apparaten bedrijf

Wearables bouwen

Een manier om flexibele elektronica te bouwen is door polymeren te gebruiken. Een andere manier om dit te doen is door een zeer flexibel en niet-giftig metaal te gebruiken, gallium, dat we hebben het besproken in een speciaal beleggingsrapport.

Zonne-energie zou, naast het piëzo-elektrische effect, ook flexibele wearables kunnen opladen. Dit zou bereikt kunnen worden door gebruik te maken van perovskiet zonnecellen or ultradunne organische fotovoltaïsche technologie.

Koninklijke Philips NV

Philips is een bekend consumentenmerk voor kleine elektronica (scheerapparaten, elektrische tandenborstels), eveneens actief in de gezondheidszorg. Het was de nummer 1 voor MedTech-patentaanvragen in Europa voor 2022.

Het is actief in verbonden medische producten, van wearables tot beeldvorming, ademhalingstoestellen en medische robots. Daarnaast is het bedrijf actief in halfgeleiders (waaronder maglevtechnologie) en hightech/robotica/automatisering.

Bron: Philips

Het wearables-aanbod van Philips omvat hart-, ademhalings- en activiteitsstatistieken. De sensoren kunnen worden geïntegreerd in smartwatches, gezondheidsmonitors, medische patches en activiteitstrackers.

Wat wearables betreft, Philips is voorstander van een partnerschapsoplossing, waar het voor derden “hun” verbonden IoT (Internet of Things) medische apparaten ontwikkelt die volledig compatibel zijn met de rest van Philips' oplossingen. In die context biedt het zijn klanten prototyping, advies op het gebied van regelgeving, end-to-end productontwikkeling en productie op industriële schaal.

Daarmee is Philips een technologiegericht bedrijf en een waarschijnlijke kandidaat voor het snel integreren van innovaties zoals flexibele piëzo-elektrische generatoren in bestaande medische apparatuur.

In 2023 hadden de apparaten van Philips een direct effect op 1.82 miljard mensen.

Het bedrijf wil een volledig geïntegreerde digitale zorgomgeving creëren, waar sensoren apparaten matchen, en vervolgens meerdere connectiviteitsoplossingen gebruiken om te integreren in de Philips HealthSuite Cloud-oplossing en diepgaande data-analyse mogelijk te maken.

Bron: Philips

Als leverancier van de MedTech-industrie is Philips niet zo zichtbaar in de sector als andere, prominentere bedrijven. Het is echter een expert in het bouwen van hoogwaardige elektronische apparaten en sensoren, en verlegt vaak de grenzen van wat mogelijk is in zijn niche in gezondheidszorg en wearables.

Nu wearables steeds meer worden geïntegreerd in de gezondheidszorg en medische protocollen, zal het segment Healthcare van Philips waarschijnlijk groeien als onderdeel van het conglomeraat.

Studie referentie:

^{1. Yea, J., Ha, J., Lim, KS, Lee, H., Oh, S., Jekal, J., Yu, TS, Jung, HH, Park, J.-U., Lee, T., Jeong, J.-W., Kim, HJ, Keum, H., Lee, YK, & Jang, K.-I. (2024). Krommingsspecifiek koppelingselektrodeontwerp voor een rekbare driedimensionale anorganische piëzo-elektrische nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096-34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}