Первое медицинское устройство, работающее от тепла тела

Используя жидкие металлы, исследователи создали первое медицинское устройство, работающее от тепла тела.

В век повсеместного распространения технологий мы все слишком хорошо знакомы с неудобствами разряженной батареи. Но для тех, кто полагается на носимое медицинское устройство для мониторинга уровня глюкозы, уменьшения тремора или даже отслеживания работы сердца, тратить время на подзарядку может быть очень рискованно.

Впервые исследователи кафедры машиностроения Университета Карнеги-Меллона продемонстрировали, что медицинское устройство может питаться только от тепла тела. Объединив датчик пульсоксиметрии с гибким, растягивающимся, носимым термоэлектрическим генератором энергии, эта группа представила многообещающий способ решения проблем, связанных со сроком службы батареи. Их генератор энергии изготовлен из жидкого металла, полупроводников и резины, напечатанной на 3D-принтере.

Мейсон Задан, автор исследования, сказал: «Это первый шаг к носимой электронике без батареек». Это исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Их система, разработанная для достижения высоких механических и термоэлектрических характеристик за счет бесшовной интеграции материалов, отличается достижениями в области мягких материалов, проектирования массивов ТЭГ, проектирования печатных плат с низким энергопотреблением и встроенного управления питанием.

Кармель Маджиди, профессор машиностроения и директор Лаборатории мягких машин, поясняет: «По сравнению с нашими прошлыми исследованиями эта конструкция повышает плотность мощности примерно в 40 раз или на 4000%. Жидкометаллический эпоксидный композит улучшает теплопроводность между термоэлектрическим компонентом и точкой контакта устройства на корпусе».

Для проверки выходного напряжения устройство надевалось на грудь и запястье участника в состоянии покоя и движения.

Задан сказал: «Мы увидели большее выходное напряжение, когда устройство было на запястье участника и когда этот человек находился в движении. Когда участник двигается, одна сторона устройства охлаждается за счет увеличения потока воздуха, а другая нагревается из-за повышения температуры тела. Ходьба и бег создали идеальную разницу температур».

Процесс, посредством которого разница температур напрямую преобразуется в электрическую энергию, известен как термоэлектрический эффект.

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию температурного градиента, например, когда один конец нагревается, а другой остается холодным, электроны внутри материала начинают течь от горячего конца к холодному. Это движение электронов генерирует электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока, что приводит к электрической мощности. По сути, термоэлектрический эффект позволяет нам использовать температурные различия для создания полезного электричества, что делает его перспективным направлением для устойчивого производства энергии.

Двигаясь вперед, доктор Динеш К. Патель, научный сотрудник в команде, стремится работать над улучшением электрических характеристик и исследовать, как производить устройство. «Мы хотим превратить его из доказательства концепции в продукт, который люди могут начать использовать».

Данное исследование проводилось в сотрудничестве с Arieca Inc., Вашингтонским университетом и Сеульским национальным университетом.

Источник информации:

Мейсон Задан и др. Растягивающиеся термоэлектрические генераторы для автономного носимых устройств мониторинга здоровья. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861