Pierwsze urządzenie do opieki zdrowotnej zasilane ciepłem ciała

Wykorzystując ciekłe metale, naukowcy stworzyli pierwsze urządzenie medyczne zasilane ciepłem ciała.

W dobie technologii wszędzie, wszyscy jesteśmy aż za dobrze zaznajomieni z niedogodnościami rozładowanej baterii. Ale dla tych, którzy polegają na przenośnym urządzeniu do opieki zdrowotnej, aby monitorować poziom glukozy, zmniejszać drżenie, a nawet śledzić pracę serca, poświęcanie czasu na ładowanie może stanowić duże ryzyko.

Po raz pierwszy naukowcy z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Carnegie Mellon wykazali, że urządzenie do opieki zdrowotnej może być zasilane wyłącznie ciepłem ciała. Łącząc czujnik pulsoksymetrii z elastycznym, rozciągliwym, przenośnym generatorem energii termoelektrycznej, zespół ten wprowadził obiecujący sposób rozwiązania problemów z żywotnością baterii. Ich generator energii jest wykonany z ciekłego metalu, półprzewodników i gumy drukowanej w technologii 3D.

Mason Zadan, autor badania, powiedział: „To pierwszy krok w kierunku elektroniki noszonej bez baterii”. Badanie to opublikowano w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

Ich system, zaprojektowany z myślą o osiągnięciu wysokiej wydajności mechanicznej i termoelektrycznej dzięki bezproblemowej integracji materiałów, charakteryzuje się udoskonaleniami w zakresie materiałów miękkich, konstrukcji układów TEG, konstrukcji płytek drukowanych o niskim zużyciu energii i zarządzania energią na pokładzie.

Carmel Majidi, profesor inżynierii mechanicznej i dyrektor Soft Machines Laboratory, wyjaśnia: „W porównaniu z naszymi poprzednimi badaniami, ta konstrukcja zwiększa gęstość mocy około 40 razy lub 4000%. Kompozyt epoksydowy z ciekłego metalu zwiększa przewodność cieplną między elementem termoelektrycznym a punktem styku urządzenia z ciałem”.

Aby przetestować napięcie wyjściowe urządzenia, uczestnikom noszonym na klatce piersiowej i nadgarstku towarzyszył odpoczynek i ruch.

Zadan powiedział: „Widzieliśmy większe napięcie wyjściowe, gdy urządzenie znajdowało się na nadgarstku uczestnika i gdy ta osoba była w ruchu. Gdy uczestnik się porusza, jedna strona urządzenia jest chłodzona przez wzrost przepływu powietrza, a druga jest ogrzewana przez wzrost temperatury ciała. Chodzenie i bieganie tworzyły idealną różnicę temperatur”.

Proces, w którym różnice temperatur bezpośrednio zamieniają się w energię elektryczną, nazywany jest efektem termoelektrycznym.

Gdy materiał termoelektryczny jest wystawiony na gradient temperatury, np. gdy jeden koniec jest ogrzewany, a drugi pozostaje chłodny, elektrony w materiale zaczynają płynąć od gorącego końca do zimnego. Ten ruch elektronów generuje prąd elektryczny. Im większa różnica temperatur, tym więcej prądu elektrycznego jest wytwarzane, co skutkuje energią elektryczną. Zasadniczo efekt termoelektryczny pozwala nam wykorzystać różnice temperatur do wytworzenia użytecznej energii elektrycznej, co czyni go obiecującą drogą do zrównoważonej produkcji energii.

Idąc dalej, dr Dinesh K. Patel, naukowiec badawczy w zespole, jest chętny do pracy nad poprawą wydajności elektrycznej i zbadania, jak wyprodukować urządzenie. „Chcemy przenieść je z dowodu koncepcji do produktu, którego ludzie mogą zacząć używać”.

Badania przeprowadzono we współpracy z Arieca Inc., Uniwersytetem Waszyngtońskim i Narodowym Uniwersytetem w Seulu.

Źródło informacji:

Mason Zadan i in. Rozciągliwe generatory termoelektryczne do samodzielnego zasilania przenośnych urządzeń monitorujących stan zdrowia. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861