Haben Smartarmbänder jetzt Ladefreiheit?

Im technologischen Wandel des 21. Jahrhunderts werden tragbare elektronische Geräte zunehmend zu einem unverzichtbaren Teil unseres Lebens. Diese Geräte verändern mit ihrer Portabilität, Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit die Art und Weise, wie wir mit der digitalen Welt interagieren.

Es gibt viele Arten tragbarer Geräte, vom einfachen Schrittzähler bis hin zu komplexen Gesundheitsüberwachungssystemen, jedes mit seinen eigenen spezifischen Einsatzmöglichkeiten und Funktionen. Smartwatches können beispielsweise nicht nur die Uhrzeit anzeigen, sondern auch die Herzfrequenz, die Schlafqualität und die Schritte überwachen und Benachrichtigungen empfangen. Gesundheitsmonitore können wichtige physiologische Indikatoren wie Blutzucker, Blutdruck und Elektrokardiogramm in Echtzeit verfolgen. Virtual-Reality-Brillen bieten Benutzern ein immersives Erlebnis und werden häufig in Spielen, Bildungs- und Trainingssimulationen eingesetzt.

Abbildung 1 Tragbare elektronische Geräte, die auf der Basis flexibler Elektrodenmaterialien entwickelt wurden. Bildquelle: Science Times. Obwohl der Komfort tragbarer Geräte auf der Hand liegt, stehen sie immer noch vor der Herausforderung, sie mit Energie zu versorgen . Herkömmliche Batterien müssen nicht nur regelmäßig aufgeladen werden, sie weisen auch eine begrenzte Lebensdauer und Umweltprobleme auf. Daher untersuchen Forscher, wie diese Geräte energieautark gemacht werden können, indem sie beispielsweise mit Solarenergie, kinetischer Energie oder sogar der menschlichen Körperwärme betrieben werden.

In diesem Zusammenhang entstanden thermoelektrische tragbare Geräte und mit der Fingerspitze tragbare Mikronetztechnologien . Thermoelektrische tragbare Geräte verwenden thermoelektrische Materialien , um die Wärme des menschlichen Körpers in Elektrizität umzuwandeln, während Mikronetze an den Fingerspitzen Energie durch Biobrennstoffzellen und dehnbare Batterien sammeln und speichern, um eine kontinuierliche Stromversorgung für tragbare Geräte zu gewährleisten. Diese Technologien verbessern nicht nur die Energieeffizienz, sondern reduzieren auch die Umweltbelastung

Thermoelektrische tragbare Geräte

Thermoelektrische tragbare Geräte basieren auf dem thermoelektrischen Effekt , also der Fähigkeit, Spannung und Strom zu erzeugen, wenn zwischen den beiden Enden eines thermoelektrischen Materials ein Temperaturunterschied besteht. Der Hauptvorteil dieser Geräte besteht darin, dass sie die vom menschlichen Körper natürlich erzeugte Wärme, beispielsweise die Körperwärme, zur Stromerzeugung nutzen können, wodurch die Abhängigkeit von herkömmlichen Batterien verringert wird.

Abbildung 2 Tragbare thermoelektrische Materialien und Geräte für energieautarke elektronische Systeme. Bildquelle: Advanced Materials

Thermoelektrische Materialien: Das Herzstück dieser Geräte sind thermoelektrische Materialien, bei denen es sich um anorganische Halbleiter wie Wismuttellurid und Antimontellurid oder um organische Polymere handeln kann. Die thermoelektrische Gütezahl dieser Materialien bestimmt ihre Umwandlungseffizienz. Je höher die thermoelektrische Gütezahl, desto besser die Umwandlungseffizienz.

Flexibilität und Komfort: Um sich an die unregelmäßige Oberfläche und die dynamischen Bewegungen des menschlichen Körpers anzupassen, müssen thermoelektrische tragbare Geräte über eine gute Flexibilität und Dehnbarkeit verfügen. Dies wird häufig durch die Kombination thermoelektrischer Materialien mit flexiblen Substratmaterialien wie Polymeren erreicht.

Designinnovationen : Um die Leistungsabgabe thermoelektrischer Geräte zu erhöhen, haben Forscher eine Reihe von Designstrategien eingesetzt, darunter die Vergrößerung der Oberfläche thermoelektrischer Materialien, die Optimierung der Nanostruktur thermoelektrischer Materialien und die Entwicklung effizienterer Wärmemanagementsysteme zur Verbesserung der Temperaturgradienten.

Tragbare Mikronetze auf Ihren Fingerspitzen

Abbildung 3 Prinzip und Design eines integrierten, am Finger tragbaren Mikronetzes

(a) Schematische Darstellung des an der Fingerspitze tragbaren Mikronetzsystems, einschließlich einer Biobrennstoffzelle, einer Silber-Zinkchlorid-Batterie, einer flexiblen Leiterplatte und eines tragbaren Sensors mit einem durch osmotische Schweißextraktion unterstützten Papierflüssigkeitssystem. Die Kombination aus Biobrennstoffzellen und Silberchlorid-Zink-Batteriezellen ist als Energiemodul aufgebaut und besteht aus zwei in Reihe geschalteten Silberchlorid-Zink-Batteriezellen, die jeweils von zwei in Reihe geschalteten Biobrennstoffzellen geladen werden. Das Einschubbild (rot eingekreist) vergrößert die Komponenten, die mit der Fingerspitze in Kontakt kommen, darunter vier Biobrennstoffzellen und ein zentrales osmotisches Pumpensystem zur Schweißextraktion: (i) Hauptschema, (ii) ventral und (iii) dorsal.

(b) Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des auf der Fingerspitze montierten Mikronetzes zur Energiegewinnung, Energiespeicherung und elektrochemischen Sensorik mit drahtloser Datenübertragung und Smartphone-Display. Der Schweiß der Fingerspitzen liefert Biokraftstoffe und Biomarker für die passive Energiegewinnung bzw. kontinuierliche Sensorik. Die Mikrocontrollereinheit versorgt die vier Sensoren mit Strom und die erzeugten Signale werden über Analog-Digital-Wandler in lesbare Daten umgewandelt und zur weiteren Analyse über Bluetooth Low Energy übertragen. Bildquelle: Nature Electronics

An den Fingerspitzen tragbare Mikronetze sind eine speziellere tragbare Energielösung, die sich auf die Gewinnung von Bioenergie durch die hohe Schweißdrüsendichte der Fingerspitzen konzentriert. Ein solches System umfasst normalerweise die folgenden Schlüsselkomponenten:

Biobrennstoffzellen: Biobrennstoffzellen verwenden Chemikalien im Fingerschweiß, wie beispielsweise Milchsäure, als Brennstoff, um durch biochemische Reaktionen Strom zu erzeugen. Das Design dieser Zellen umfasst häufig Enzymkatalysatoren, um die Effizienz der Energieumwandlung zu verbessern.

Dehnbare Batterien: Sie können, wie beispielsweise Silberchlorid-Zink-Batterien, von Biobrennstoffzellen erzeugten Strom speichern. Die Batterien sind dehnbar und flexibel konzipiert, um sich der Form und Bewegung der Fingerspitzen anzupassen.

Mikrofluidische Systeme: Um Schweiß effizient zu den Sensoren zu leiten, enthalten Mikrogitter an den Fingerspitzen typischerweise ein mikrofluidisches System, beispielsweise lasergravierte mikrofluidische Papierkanäle. Diese Kanäle nutzen die Kapillarwirkung, um Schweiß zum Sensor zu transportieren.

Elektrochemische Sensoren: Diese Sensoren werden verwendet, um bestimmte Chemikalien im Schweiß zu erkennen, wie z. B. Glukose, Vitamin C, Milchsäure usw. Sie wandeln chemische Signale in elektrische Signale um, die von einem Mikrocontroller verarbeitet werden.

Stromsparende Elektronik: Das Fingertip Microgrid umfasst einen stromsparenden Mikrocontroller und ein drahtloses Übertragungsmodul zur Verarbeitung von Sensorsignalen und zur drahtlosen Übertragung von Daten an Smartphones oder andere Geräte.

Zukünftige Entwicklungen bei thermoelektrischen tragbaren Geräten und mit der Fingerspitze tragbaren Mikronetzen werden sich auf die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz, die Optimierung des Gerätedesigns zur Verbesserung des Benutzererlebnisses und die Ausweitung ihrer Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Gesundheitsüberwachung, Umweltüberwachung und Mensch-Computer-Interaktion konzentrieren. Mit fortschreitender Weiterentwicklung der Technologie dürften diese Geräte in vielen Bereichen wie Gesundheitswesen, Sportwissenschaft, Militär und Unterhaltung eine wichtige Rolle spielen und den Menschen mehr Komfort und Gesundheitsschutz bieten.

Quellen:

[1] Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. Ein am Finger tragbares Mikronetzsystem für autonomes Energiemanagement und Stoffwechselüberwachung. Nat. Elektron. (2024).

[2] Y. Jia, Q. Jiang, H. Sun, P. Liu, D. Hu, Y. Pei, W. Liu, X. Crispin, S. Fabiano, Y. Ma, Y. Cao, Tragbare thermoelektrische Materialien und Geräte für selbstversorgende elektronische Systeme. Erw. Mater. 2021, 33, 2102990.

[3] Gong S, Lu Y, Yin J, et al. Materialbasierte, weiche, tragbare Bioelektronik für die vernetzte Gesundheitsversorgung[J]. Chemical Reviews, 2024, 124(2): 455-553.

[4] Li Chuanfu. Weiche Elektrodenmaterialien sorgen dafür, dass tragbare elektronische Geräte nicht mehr starr sind[N]. Popular Science Times, 19.07.2024 (06).