Met behulp van vloeibare metalen hebben onderzoekers het eerste medische apparaat gemaakt dat werkt op lichaamswarmte.
In het tijdperk van technologie zijn we allemaal maar al te bekend met het ongemak van een lege batterij. Maar voor degenen die afhankelijk zijn van een draagbaar gezondheidsapparaat om glucose te controleren, trillingen te verminderen of zelfs de hartfunctie te volgen, kan het nemen van tijd om op te laden een groot risico vormen.
Voor het eerst hebben onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van Carnegie Mellon University aangetoond dat een apparaat voor gezondheidszorg alleen met lichaamswarmte van stroom kan worden voorzien. Door een pulsoximetriesensor te combineren met een flexibele, rekbare, draagbare thermo-elektrische energiegenerator, heeft dit team een veelbelovende manier geïntroduceerd om problemen met de levensduur van batterijen aan te pakken. Hun energiegenerator is gemaakt van vloeibaar metaal, halfgeleiders en 3D-geprint rubber.
Mason Zadan, een auteur van het onderzoek, zei: “Dit is de eerste stap richting batterijloze draagbare elektronica”. Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.
Hun systeem, dat is ontworpen om hoge mechanische en thermo-elektrische prestaties te leveren met naadloze materiaalintegratie, is voorzien van verbeteringen op het gebied van zachte materialen, TEG-arrayontwerp, energiezuinig printplaatontwerp en ingebouwd energiebeheer.
Carmel Majidi, hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Soft Machines Laboratory, legt uit: “Vergeleken met ons eerdere onderzoek verbetert dit ontwerp de vermogensdichtheid met ongeveer 40 keer of 4000%. Het vloeibare metaal-epoxycomposiet verbetert de thermische geleidbaarheid tussen het thermo-elektrische component en het contactpunt van het apparaat op het lichaam”.
Om de uitgangsspanning te testen, werd het apparaat op de borst en pols van de deelnemer gedragen, zowel in rust als in beweging.
Zadan zei: “We zagen een hogere voltage output terwijl het apparaat om de pols van de deelnemer zat en terwijl die persoon in beweging was. Terwijl de deelnemer beweegt, wordt één kant van het apparaat gekoeld door de toename van de luchtstroom, en de andere kant wordt verwarmd door de stijging van de lichaamstemperatuur. Wandelen en rennen creëerden een ideaal temperatuurverschil.”
Het proces waarbij temperatuurverschillen direct worden omgezet in elektrische energie staat bekend als het thermo-elektrische effect.
Wanneer een thermo-elektrisch materiaal wordt blootgesteld aan een temperatuurgradiënt, zoals wanneer één uiteinde wordt verhit terwijl het andere uiteinde koel blijft, beginnen elektronen in het materiaal van het hete uiteinde naar het koude uiteinde te stromen. Deze elektronenbeweging genereert een elektrische stroom. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer elektrische stroom er wordt geproduceerd, wat resulteert in elektrische energie. In wezen stelt het thermo-elektrische effect ons in staat om temperatuurverschillen te benutten om bruikbare elektriciteit te creëren, wat het een veelbelovende weg maakt voor duurzame energieopwekking.
Dr. Dinesh K. Patel, een onderzoekswetenschapper in het team, is enthousiast om te werken aan het verbeteren van de elektrische prestaties en te onderzoeken hoe het apparaat geproduceerd kan worden. “We willen het van een proof of concept omzetten in een product dat mensen kunnen gaan gebruiken.”
Dit onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Arieca Inc., de Universiteit van Washington en de Nationale Universiteit van Seoul.
Informatiebron:
Mason Zadan et al. Rekbare thermo-elektrische generatoren voor zelfvoorzienende draagbare gezondheidsmonitoring. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861
Discussion about this post