Verbesserte Wärmerückhaltung steigert Handgelenk-tragbares Gesundheitsmonitoring

Ingenieure der North Carolina State University verbessern weiterhin die Effizienz eines flexiblen Geräts, das am Handgelenk getragen wird und Wärmeenergie vom menschlichen Körper erntet, um die Gesundheit zu überwachen.

Die Forscher berichten von signifikanten Verbesserungen bei der Verhinderung von Wärmeverlust im flexiblen Körperwärmeernter, den sie erstmals 2017 vorstellten und 2020 aktualisierten. Die Erntesysteme nutzen Wärmeenergie vom menschlichen Körper, um tragbare Technologien zu betreiben – denken Sie an Smartwatches, die Herzfrequenz, Blutsauerstoff, Glukose und andere Gesundheitsparameter messen –, die nie wieder aufgeladen werden müssen. Die Technologie basiert auf denselben Prinzipien wie starre thermoelektrische Erntesysteme, die Wärme in elektrische Energie umwandeln.

Flexible Erntesysteme, die sich dem menschlichen Körper anpassen, sind für den Einsatz mit Wearables hoch begehrt. Mehmet Ozturk, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der NC State, nannte den überlegenen Hautkontakt flexibler Geräte sowie ergonomische und Komfortaspekte für den Träger als Kerngründe für den Bau flexibler thermoelektrischer Generatoren (TEGs).

Die Leistung und Effizienz flexibler Erntesysteme hinkt jedoch historisch gesehen weit hinter starren Geräten hinterher, die in ihrer Fähigkeit, Körperwärme in nutzbare Energie umzuwandeln, überlegen waren.

Der Proof-of-Concept-TEG, der ursprünglich 2017 vorgestellt wurde, verwendete Halbleiterelemente, die elektrisch in Reihe über Flüssigmetall-Verbindungen aus EGaIn – einer ungiftigen Legierung aus Gallium und Indium – verbunden waren. EGaIn bot sowohl metallähnliche elektrische Leitfähigkeit als auch Dehnbarkeit. Das gesamte Gerät war in einen dehnbaren Silikon-Elastomer eingebettet.

Das 2020 vorgestellte verbesserte Gerät verwendete die gleiche Architektur, verbesserte jedoch die thermische Konstruktion der vorherigen Version erheblich und erhöhte die Dichte der Halbleiterelemente, die für die Umwandlung von Wärme in Strom verantwortlich sind. Eine Verbesserung war ein Silikon-Elastomer mit hoher thermischer Leitfähigkeit – im Grunde eine Art Gummi –, das die EGaIn-Verbindungen einkapselte.

Die neueste Iteration fügt Aerogel-Flocken zum Silikon-Elastomer hinzu, um die thermische Leitfähigkeit des Elastomers zu reduzieren. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass diese Innovation den Wärmeverlust durch den Elastomer halbierte.

„Die Zugabe von Aerogel verhindert, dass Wärme zwischen den thermoelektrischen ‚Beinen‘ des Geräts entweicht“, sagte Ozturk. „Je höher der Wärmeverlust, desto niedriger die Temperaturdifferenz, die sich über dem Gerät aufbaut, was zu geringerer Ausgangsleistung führt.“

„Das in dieser Arbeit vorgestellte flexible Gerät schneidet um eine Größenordnung besser ab als das 2017 vorgestellte und nähert sich weiter der Leistung starrer Geräte an“, fügte er hinzu.

Ozturk sagte, dass eine Stärke der patentierten NC-State-Technologie darin besteht, dass sie dieselben Halbleiterelemente verwendet, die in starren Geräten nach jahrzehntelanger Forschung perfektioniert wurden. Der Ansatz bietet auch bestehenden Herstellern starrer thermoelektrischer Module eine kostengünstige Möglichkeit, in den flexiblen thermoelektrischen Markt einzusteigen.

Er fügte hinzu, dass sein Labor sich weiterhin auf die Verbesserung der Effizienz dieser flexiblen Geräte konzentrieren wird.