Η πρώτη συσκευή υγειονομικής περίθαλψης που τροφοδοτείται από τη θερμότητα του σώματος

Χρησιμοποιώντας μέταλλα με βάση υγρά, οι ερευνητές έφτιαξαν την πρώτη συσκευή υγειονομικής περίθαλψης που τροφοδοτείται από τη θερμότητα του σώματος.

Στην εποχή της τεχνολογίας παντού, είμαστε όλοι εξοικειωμένοι με την ταλαιπωρία μιας νεκρής μπαταρίας. Αλλά για εκείνους που βασίζονται σε μια φορητή συσκευή υγειονομικής περίθαλψης για την παρακολούθηση της γλυκόζης, τη μείωση του τρόμου ή ακόμα και την παρακολούθηση της καρδιακής λειτουργίας, η αφιέρωση χρόνου για επαναφόρτιση μπορεί να αποτελέσει μεγάλο κίνδυνο.

Για πρώτη φορά, ερευνητές στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon έδειξαν ότι μια συσκευή υγειονομικής περίθαλψης μπορεί να τροφοδοτηθεί χρησιμοποιώντας μόνο τη θερμότητα του σώματος. Συνδυάζοντας έναν αισθητήρα παλμικής οξυμετρίας με μια εύκαμπτη, ελαστική, φορετή γεννήτρια θερμοηλεκτρικής ενέργειας, αυτή η ομάδα εισήγαγε έναν πολλά υποσχόμενο τρόπο αντιμετώπισης των προβλημάτων διάρκειας μπαταρίας. Η γεννήτρια ενέργειας τους είναι κατασκευασμένη από υγρό μέταλλο, ημιαγωγούς και 3D εκτυπωμένο καουτσούκ.

Ο Mason Zadan, συγγραφέας της έρευνας, είπε: «Αυτό είναι το πρώτο βήμα προς τα φορητά ηλεκτρονικά χωρίς μπαταρία». Αυτή η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Advanced Functional Materials.

Το σύστημά τους, σχεδιασμένο να επιτυγχάνει υψηλές μηχανικές και θερμοηλεκτρικές επιδόσεις με ενσωμάτωση υλικών χωρίς συγκόλληση, διαθέτει προόδους σε μαλακά υλικά, σχεδιασμό συστοιχίας TEG, σχεδιασμό πλακέτας κυκλώματος χαμηλής ενέργειας και διαχείριση ισχύος ενσωματωμένη.

Ο Carmel Majidi, Καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών και Διευθυντής του Εργαστηρίου Soft Machines, εξηγεί: «Σε σύγκριση με την προηγούμενη έρευνά μας, αυτός ο σχεδιασμός βελτιώνει την πυκνότητα ισχύος κατά περίπου 40 φορές ή 4000%. Το εποξειδικό σύνθετο υγρό μέταλλο ενισχύει τη θερμική αγωγιμότητα μεταξύ του θερμοηλεκτρικού στοιχείου και του σημείου επαφής της συσκευής στο σώμα».

Για να δοκιμάσει την ισχύ εξόδου της, η συσκευή φορέθηκε στο στήθος και τον καρπό ενός συμμετέχοντος σε κατάσταση ηρεμίας και κίνησης.

Ο Zadan είπε: «Είδαμε μεγαλύτερη τάση εξόδου ενώ η συσκευή βρισκόταν στον καρπό του συμμετέχοντος και ενώ το άτομο ήταν σε κίνηση. Καθώς ο συμμετέχων κινείται, η μία πλευρά της συσκευής ψύχεται από την αύξηση της ροής αέρα και η άλλη θερμαίνεται από την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος. Το περπάτημα και το τρέξιμο δημιούργησαν μια ιδανική διαφορά θερμοκρασίας.»

Η διαδικασία με την οποία οι διαφορές θερμοκρασίας μετατρέπονται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι γνωστή ως θερμοηλεκτρικό φαινόμενο.

Όταν ένα θερμοηλεκτρικό υλικό εκτίθεται σε μια διαβάθμιση θερμοκρασίας, όπως το ένα άκρο να θερμαίνεται ενώ το άλλο άκρο παραμένει ψυχρό, τα ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό αρχίζουν να ρέουν από το θερμό άκρο στο ψυχρό άκρο. Αυτή η κίνηση ηλεκτρονίων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται, με αποτέλεσμα την ηλεκτρική ενέργεια. Ουσιαστικά, το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο μας επιτρέπει να εκμεταλλευτούμε τις διαφορές θερμοκρασίας για να δημιουργήσουμε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρισμό, καθιστώντας το μια πολλά υποσχόμενη οδό για βιώσιμη παραγωγή ενέργειας.

Προχωρώντας προς τα εμπρός, ο Δρ. Dinesh K. Patel, ένας ερευνητής στην ομάδα, είναι πρόθυμος να εργαστεί για τη βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης και να διερευνήσει πώς να κατασκευάσει τη συσκευή. «Θέλουμε να το μεταφέρουμε από μια απόδειξη της ιδέας σε ένα προϊόν που οι άνθρωποι μπορούν να αρχίσουν να χρησιμοποιούν».

Αυτή η έρευνα έγινε σε συνεργασία με την Arieca Inc., το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ.

Πηγή πληροφοριών:

Mason Zadan et al. Εκτατές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες για αυτοτροφοδοτούμενη παρακολούθηση της υγείας των φορητών συσκευών. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861