Einzelquellen-Drahtlosstromversorgung für multiple Wearables

Fortschritte in der Wearable-Technologie verändern unsere Lebens-, Arbeits- und Freizeitweise sowie die Art, wie Gesundheitsversorgung bereitgestellt und empfangen wird. Wearables, die sich in den Alltag eingewoben haben, umfassen Smartwatches und kabellose Ohrhörer, während im Gesundheitsbereich gängige Geräte tragbare Injektoren, EKG-Überwachungspflaster, Hörgeräte und mehr sind.

Ein Hauptproblem bei der Nutzung dieser Wearables ist die Frage, sie ordnungsgemäß und bequem mit Strom zu versorgen. Mit zunehmender Anzahl genutzter Wearables steigt auch der Bedarf, mehrere Batterien aufzuladen, was enorme Strommengen verbraucht. Viele Nutzer empfinden das tägliche Laden zahlreicher Geräte als umständlich, und unbequeme Dienstunterbrechungen treten auf, wenn Batterien leer sind.

Ein Forschungsteam am Institute for Health der National University of Singapore (NUS) hat eine Lösung für diese Probleme entwickelt. Ihre Technologie ermöglicht es einem einzelnen Gerät, wie einem Smartphone in der Tasche, andere Wearables am Körper des Nutzers drahtlos mit Strom zu versorgen, wobei der menschliche Körper als Medium für die Stromübertragung dient. Das neuartige System des Teams hat einen zusätzlichen Vorteil: Es kann ungenutzte Energie aus Elektronik in typischen Wohn- oder Büroumgebungen ernten, um die Wearables zu versorgen.

Um die Batterielebensdauer zu verlängern und vollständig autonome drahtlose Betriebsweisen von Wearables aufrechtzuerhalten, sind Energy Harvesting und drahtlose Übertragungsansätze wünschenswert. Konventionelle Ansätze zur Stromversorgung von Körperbereichs-Wearables sind jedoch durch die Distanz begrenzt, über die Strom übertragen werden kann, den „Pfad“, den die Energie ohne Hindernisse zurücklegen kann, und die Stabilität der Energiebewegung. Daher konnte keine der aktuellen Methoden nachhaltige Energie für Wearables bereitstellen, die um den gesamten menschlichen Körper platziert sind.

Das NUS-Team entschied, diese Limitations umzukehren, indem es ein Empfänger- und Sendersystem entwarf, das genau das Hindernis bei der drahtlosen Stromversorgung – den menschlichen Körper – als Medium für Stromübertragung und Energy Harvesting nutzt. Jeder Empfänger und Sender enthält einen Chip, der als Sprungbrett dient, um die Abdeckung über den gesamten Körper zu erweitern.

Ein Nutzer muss lediglich den Sender an einer einzigen Stromquelle platzieren, wie der Smartwatch am Handgelenk, während mehrere Empfänger überall am Körper der Person platziert werden können. Das System nutzt dann Energie von der Quelle, um mehrere Wearables am Körper des Nutzers über einen Prozess namens körpergekoppelte Stromübertragung (body-coupled power transmission) zu versorgen. So muss der Nutzer nur ein Gerät laden, und die restlichen getragenen Gadgets können gleichzeitig von dieser einzigen Quelle mit Strom versorgt werden. Die Experimente des Teams zeigten, dass ihr System es einer vollständig geladenen Einzelstromquelle ermöglicht, bis zu 10 Wearable-Geräte am Körper für über 10 Stunden mit Strom zu versorgen.

Als ergänzende Stromquelle untersuchte das NUS-Team auch das Ernten von Energie aus der Umgebung. Ihre Forschung ergab, dass typische Büro- und Wohnumgebungen parasitäre elektromagnetische (EM) Wellen aufweisen, denen Menschen ständig ausgesetzt sind – beispielsweise von einem laufenden Laptop. Der neuartige Empfänger des Teams sammelt die EM-Wellen aus der Umgebungsluft ein, und durch den Prozess der körpergekoppelten Stromversorgung kann der menschliche Körper diese Energie ernten, um die Wearable-Geräte zu versorgen, unabhängig von ihren Positionen am Körper.

Zu den Vorteilen der Methode seines Teams sagt Professor Yoo: „Batterien gehören zu den teuersten Komponenten in Wearable-Geräten und fügen dem Design Volumen hinzu. Unser einzigartiges System hat das Potenzial, die Notwendigkeit für Batterien zu eliminieren, wodurch Hersteller die Gadgets miniaturisieren und die Produktionskosten erheblich senken können. Noch spannender: Ohne die Beschränkungen durch Batterien kann unsere Entwicklung die nächste Generation von Wearable-Anwendungen ermöglichen, wie EKG-Pflaster, Gaming-Zubehör und Fern-Diagnostik.“ Das NUS-Team wird die Stromeffizienz ihres Sender/Empfänger-Systems weiter verbessern.

Für Informationen kontaktieren Sie Ms. Carolyn Fong unter carolyn.fong@nus.edu.sg.