熱漏れの減少により、ウェアラブルヘルスデバイスが改善されます

ノースカロライナ州立大学のエンジニアは、人体から熱エネルギーを集めて健康状態を監視する、手首に装着する柔軟なデバイスの効率を改善し続けています。

研究者は、2017年に最初に報告し、2020年に更新したフレキシブルボディヒートハーベスターの熱漏れ防止の大幅な強化を報告しています。ハーベスターは、人体からの熱エネルギーを使用してウェアラブルテクノロジーに電力を供給します。心拍数や血液を測定するスマートウォッチを考えてみてください。酸素、グルコース、およびその他の健康パラメータ—バッテリーを再充電する必要はありません。この技術は、熱を電気エネルギーに変換する剛性のある熱電ハーベスターを管理するのと同じ原理に依存しています。

人体に適合した柔軟なハーベスターは、ウェアラブル技術での使用が強く望まれています。ノースカロライナ州立大学の電気およびコンピューター工学の教授であるMehmetOzturkは、柔軟な熱電発電機（TEG）を構築する主な理由として、柔軟なデバイスとの優れた皮膚接触、およびデバイス着用者に対する人間工学的および快適性の考慮事項について言及しました。

ただし、フレキシブルハーベスターのパフォーマンスと効率は、歴史的に、体の熱を使用可能なエネルギーに変換する能力に優れたリジッドデバイスに大きく後れを取っています。

2017年に最初に報告された概念実証TEGは、ガリウムとインジウムの無毒な合金であるEGaInで作られた液体金属相互接続を使用して電気的に直列に接続された半導体要素を採用しました。 EGaInは、金属のような導電性と伸縮性の両方を提供しました。デバイス全体が伸縮性のあるシリコーンエラストマーに埋め込まれていました。

2020年に報告されたアップグレードされたデバイスは、同じアーキテクチャを採用しましたが、熱を電気に変換する半導体要素の密度を高めながら、以前のバージョンの熱工学を大幅に改善しました。改善点の1つは、EGaIn相互接続をカプセル化した高熱伝導率のシリコーンエラストマー（本質的にはゴムの一種）でした。

最新の反復では、エアロゲルフレークをシリコーンエラストマーに追加して、エラストマーの熱伝導率を低下させます。実験結果は、この革新によりエラストマーからの熱漏れが半分に減少したことを示しました。

「エアロゲルを追加すると、デバイスの熱電「脚」の間で熱が漏れるのを防ぐことができます」とOzturk氏は述べています。 「熱漏れが大きいほど、デバイス全体に発生する温度が低くなり、出力電力が低下します。」

「このホワイトペーパーで報告されているフレキシブルデバイスは、2017年に報告したデバイスよりも桁違いに優れており、リジッドデバイスのパフォーマンスに近づき続けています」と彼は付け加えました。

オズターク氏は、ノースカロライナ州立大学が特許を取得した技術の強みの1つは、数十年の研究の結果完成したリジッドデバイスで使用されているものとまったく同じ半導体要素を採用していることです。このアプローチはまた、既存のリジッド熱電モジュールメーカーがフレキシブル熱電市場に参入するための低コストの機会を提供します。

彼は、彼の研究室はこれらの柔軟なデバイスの効率を改善することに引き続き焦点を当てると付け加えました。