Första sjukvårdsapparat som drivs av kroppsvärme

Med hjälp av vätskebaserade metaller har forskare gjort den första sjukvårdsapparaten som drivs av kroppsvärme.

I en tid av teknik överallt är vi alltför bekanta med besväret med ett urladdat batteri. Men för dem som förlitar sig på en bärbar sjukvårdsenhet för att övervaka glukos, minska skakningar eller till och med spåra hjärtfunktionen, kan det innebära en stor risk att ta tid att ladda om.

För första gången har forskare vid Carnegie Mellon Universitys institution för maskinteknik visat att en sjukvårdsenhet kan drivas med enbart kroppsvärme. Genom att kombinera en pulsoximetrisensor med en flexibel, töjbar, bärbar termoelektrisk energigenerator, har detta team introducerat ett lovande sätt att hantera problem med batterilivslängden. Deras energigenerator är gjord av flytande metall, halvledare och 3D-tryckt gummi.

Mason Zadan, en författare till forskningen, sa: ”Detta är det första steget mot batterifri bärbar elektronik”. Denna forskning är publicerad i tidskriften Advanced Functional Materials.

Deras system, designat för att uppnå hög mekanisk och termoelektrisk prestanda med sömlös materialintegration, har framsteg inom mjuka material, TEG-arraydesign, lågenergikretskortsdesign och inbyggd strömhantering.

Carmel Majidi, professor i maskinteknik och chef för mjukmaskinslaboratoriet, förklarar: ”Jämfört med vår tidigare forskning förbättrar denna design effekttätheten med ungefär 40 gånger eller 4000%. Den flytande metallepoxikompositen förbättrar värmeledningsförmågan mellan den termoelektriska komponenten och enhetens kontaktpunkt på kroppen”.

För att testa dess spänningsutgång bars enheten på en deltagares bröst och handled i vila och i rörelse.

Zadan sa: ”Vi såg en högre spänning när enheten var på deltagarens handled och medan den personen var i rörelse. När deltagaren rör sig kyls den ena sidan av enheten av det ökade luftflödet och den andra värms upp av stigande kroppstemperatur. Att gå och springa skapade en ideal temperaturskillnad.”

Processen genom vilken temperaturskillnader direkt omvandlas till elektrisk energi kallas den termoelektriska effekten.

När ett termoelektriskt material utsätts för en temperaturgradient, som att ha ena änden uppvärmd medan den andra änden förblir sval, börjar elektroner i materialet att strömma från den varma änden till den kalla änden. Denna elektronrörelse genererar en elektrisk ström. Ju större temperaturskillnaden är, desto mer elektrisk ström produceras, vilket resulterar i elektrisk kraft. I huvudsak tillåter den termoelektriska effekten oss att utnyttja temperaturskillnader för att skapa användbar el, vilket gör det till en lovande väg för hållbar energiproduktion.

Dr Dinesh K. Patel, en forskare i teamet, är ivriga att arbeta med att förbättra den elektriska prestandan och utforska hur man tillverkar enheten. ”Vi vill flytta det från ett proof of concept till en produkt som folk kan börja använda.”

Denna forskning gjordes i samarbete med Arieca Inc., University of Washington och Seoul National University.

Informationskälla:

Mason Zadan et al. Sträckbara termoelektriska generatorer för självdriven bärbar hälsoövervakning. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861