Verbeterde warmteretentie versterkt pols-draagbare gezondheidsmonitor

North Carolina State University ingenieurs verbeteren de efficiëntie van een flexibel apparaat dat op de pols gedragen wordt en warmte-energie van het menselijk lichaam oogst om gezondheid te monitoren.

De onderzoekers melden significante verbeteringen in het voorkomen van warmtelekkage in de flexibele lichaamswarmte-oogster die ze voor het eerst in 2017 rapporteerden en in 2020 bijwerkten. De oogsters gebruiken warmte-energie van het menselijk lichaam om wearable technologieën te voeden — denk aan smartwatches die uw hartslag, zuurstof in het bloed, glucose, en andere gezondheidsparameters meten — die nooit hun batterijen hoeven op te laden. De technologie berust op dezelfde principes die starre thermo-elektrische oogsters sturen die warmte omzetten in elektrische energie.

Flexibele oogsters die zich aan het menselijk lichaam aanpassen, zijn zeer gewenst voor gebruik met wearable technologieën. Mehmet Ozturk, een NC State professor elektrische en computer engineering, noemde superieure huidcontact met flexibele apparaten, evenals de ergonomische en comfortoverwegingen voor de drager, als de kernredenen achter het bouwen van flexibele thermo-elektrische generatoren, of TEGs.

De prestaties en efficiëntie van flexibele oogsters lopen echter historisch ver achter starre apparaten, die superieur zijn in hun vermogen om lichaamswarmte om te zetten in bruikbare energie.

Het proof-of-concept TEG oorspronkelijk gerapporteerd in 2017 gebruikte halfgeleiderelementen die elektrisch in serie verbonden waren met vloeibare metaal-interconnects gemaakt van EGaIn — een niet-toxisch legering van gallium en indium. EGaIn leverde zowel metaal-achtige elektrische geleiding als rekbaarheid. Het gehele apparaat was ingesloten in een rekbaar silicone-elastomeer.

Het geüpgradede apparaat gerapporteerd in 2020 gebruikte dezelfde architectuur maar verbeterde de thermische engineering van de vorige versie aanzienlijk, terwijl de dichtheid van de halfgeleiderelementen verantwoordelijk voor het omzetten van warmte in elektriciteit werd verhoogd. Een van de verbeteringen was een hoge thermische geleiding silicone-elastomeer — essentieel een soort rubber — dat de EGaIn-interconnects inkapselde.

De nieuwste iteratie voegt aerogel-vlokken toe aan het silicone-elastomeer om de thermische geleiding van het elastomeer te verminderen. Experimentele resultaten toonden aan dat deze innovatie de warmtelekkage door het elastomeer met de helft reduceerde.

"De toevoeging van aerogel stopt de warmte lekken tussen de thermo-elektrische 'poten' van het apparaat," zei Ozturk. "Hoeger de warmtelekkage, hoe lager de temperatuur die zich over het apparaat ontwikkelt, wat vertaalt naar lagere uitgangsvermogen."

"Het flexibele apparaat gerapporteerd in dit papier presteert een orde van grootte beter dan het apparaat dat we in 2017 rapporteerden en naderen de prestaties van starre apparaten voort," voegde hij toe.

Ozturk zei dat een van de sterktes van de NC State-gepatenteerde technologie is dat het de exact dezelfde halfgeleiderelementen gebruikt die in starre apparaten gebruikt worden, geperfectioneerd na decennia van onderzoek. De benadering biedt ook een laag-kost kans voor bestaande starre thermo-elektrische modulefabrikanten om de flexibele thermo-elektrische markt te betreden.

Hij voegde toe dat zijn lab zich blijft richten op het verbeteren van de efficiëntie van deze flexibele apparaten.