Перший медичний пристрій, який живиться від тепла тіла

Використовуючи рідкі метали, дослідники створили перший медичний пристрій, який живиться від тепла тіла.

В епоху повсюдних технологій ми всі добре знайомі з незручністю розрядженого акумулятора. Але для тих, хто покладається на переносний медичний пристрій для моніторингу рівня глюкози, зменшення тремтіння або навіть відстеження роботи серця, час для підзарядки може становити великий ризик.

Дослідники з факультету машинобудування Університету Карнегі-Меллона вперше показали, що медичний пристрій може працювати лише за рахунок тепла тіла. Поєднавши датчик пульсової оксиметрії з гнучким термоелектричним генератором енергії, який розтягується, ця команда запропонувала багатообіцяючий спосіб вирішення проблем, пов’язаних із терміном служби батареї. Їхній генератор енергії виготовлений з рідкого металу, напівпровідників і 3D-друкованої гуми.

Мейсон Задан, автор дослідження, сказав: «Це перший крок до носимої електроніки без батарейок». Це дослідження опубліковано в журналі Advanced Functional Materials.

Їхня система, розроблена для досягнення високих механічних і термоелектричних характеристик із бездоганною інтеграцією матеріалів, включає в себе вдосконалення в м’яких матеріалах, конструкцію масиву TEG, конструкцію друкованої плати з низьким енергоспоживанням і вбудоване керування живленням.

Кармель Маджіді, професор машинобудування та директор лабораторії м’яких машин, пояснює: «Порівняно з нашими минулими дослідженнями, ця конструкція покращує щільність потужності приблизно в 40 разів або на 4000%. Рідкометалевий епоксидний композит підвищує теплопровідність між термоелектричним компонентом і точкою контакту пристрою на корпусі».

Щоб перевірити його вихідну напругу, пристрій носили на грудях і зап’ясті учасника в спокої та в русі.

Задан сказав: «Ми побачили більшу вихідну напругу, коли пристрій був на зап’ясті учасника та коли ця людина була в русі. Коли учасник рухається, одна сторона пристрою охолоджується за рахунок збільшення потоку повітря, а інша нагрівається від підвищення температури тіла. Ходьба і біг створюють ідеальну різницю температур».

Процес, за допомогою якого різниця температур безпосередньо перетворюється на електричну енергію, відомий як термоелектричний ефект.

Коли термоелектричний матеріал піддається градієнту температури, наприклад, коли один кінець нагрівається, а інший залишається охолодженим, електрони всередині матеріалу починають текти від гарячого кінця до холодного. Цей рух електронів породжує електричний струм. Чим більша різниця температур, тим сильніший електричний струм виробляється, що призводить до електричної потужності. По суті, термоелектричний ефект дозволяє нам використовувати різницю температур для створення придатної для використання електроенергії, що робить його перспективним напрямком сталого виробництва енергії.

Рухаючись вперед, доктор Дінеш К. Патель, дослідник у команді, прагне працювати над покращенням електричних характеристик і досліджувати, як виготовити пристрій. «Ми хочемо перетворити його з доказу концепції на продукт, яким люди можуть почати користуватися».

Це дослідження було проведено у співпраці з Arieca Inc., Університетом Вашингтона та Сеульським національним університетом.

Джерело інформації:

Мейсон Задан та ін. Термоелектричні генератори, що розтягуються, для моніторингу стану здоров’я з автономним живленням. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861