Erstes durch Körperwärme betriebenes Gesundheitsgerät

Unter Verwendung flüssiger Metalle haben Forscher das erste medizinische Gerät entwickelt, das durch Körperwärme angetrieben wird.

Im Zeitalter der Technologie sind wir alle mit den Unannehmlichkeiten einer leeren Batterie vertraut. Aber für diejenigen, die sich auf ein tragbares Gesundheitsgerät verlassen, um ihren Blutzuckerspiegel zu überwachen, Zittern zu reduzieren oder sogar die Herzfunktion zu überwachen, kann das Aufladen ein großes Risiko darstellen.

Forscher der Fakultät für Maschinenbau der Carnegie Mellon University haben erstmals gezeigt, dass ein medizinisches Gerät allein durch Körperwärme mit Strom versorgt werden kann. Durch die Kombination eines Pulsoximetriesensors mit einem flexiblen, dehnbaren, tragbaren thermoelektrischen Energiegenerator hat dieses Team eine vielversprechende Methode vorgestellt, um Bedenken hinsichtlich der Batterielebensdauer zu lösen. Ihr Energiegenerator besteht aus flüssigem Metall, Halbleitern und 3D-gedrucktem Gummi.

Mason Zadan, einer der Autoren der Studie, sagte: „Dies ist der erste Schritt hin zu batterieloser tragbarer Elektronik.“ Die Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Ihr System, das auf hohe mechanische und thermoelektrische Leistung durch nahtlose Materialintegration ausgelegt ist, zeichnet sich durch Fortschritte bei weichen Materialien, TEG-Array-Design, Niedrigenergie-Leiterplattendesign und integriertem Energiemanagement aus.

Carmel Majidi, Professorin für Maschinenbau und Leiterin des Soft Machines Laboratory, erklärt: „Im Vergleich zu unseren bisherigen Forschungsarbeiten verbessert dieses Design die Leistungsdichte um etwa das 40-fache oder 4000 %. Das Flüssigmetall-Epoxid-Komposit verbessert die Wärmeleitfähigkeit zwischen der thermoelektrischen Komponente und dem Kontaktpunkt des Geräts am Körper.“

Um die Spannungsabgabe zu testen, wurde das Gerät im Ruhezustand und in Bewegung auf der Brust und am Handgelenk eines Teilnehmers getragen.

Zadan sagte: „Wir haben eine höhere Spannungsabgabe festgestellt, während sich das Gerät am Handgelenk des Teilnehmers befand und während sich die Person bewegte. Während sich der Teilnehmer bewegt, wird eine Seite des Geräts durch die erhöhte Luftzirkulation gekühlt und die andere durch die steigende Körpertemperatur erwärmt. Beim Gehen und Laufen entsteht ein idealer Temperaturunterschied.“

Der Vorgang, Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie umzuwandeln, wird als thermoelektrischer Effekt bezeichnet.

Wenn ein thermoelektrisches Material einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, z. B. wenn ein Ende erhitzt wird, während das andere Ende kühl bleibt, beginnen Elektronen innerhalb des Materials vom heißen zum kalten Ende zu fließen. Diese Elektronenbewegung erzeugt einen elektrischen Strom. Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr elektrischer Strom wird erzeugt, was zu elektrischer Energie führt. Im Wesentlichen ermöglicht uns der thermoelektrische Effekt, Temperaturunterschiede zu nutzen, um nutzbaren Strom zu erzeugen, was ihn zu einem vielversprechenden Ansatz für die Erzeugung nachhaltiger Energie macht.

Dr. Dinesh K. Patel, ein Wissenschaftler im Team, möchte in Zukunft daran arbeiten, die elektrische Leistung zu verbessern und herauszufinden, wie das Gerät hergestellt werden kann. „Wir wollen es von einem Proof of Concept zu einem Produkt machen, das die Leute sofort nutzen können.“

Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Arieca Inc., der University of Washington und der Seoul National University durchgeführt.

Informationsquelle:

Mason Zadan et al. Dehnbare thermoelektrische Generatoren für eine tragbare Gesundheitsüberwachung mit eigener Energieversorgung. [Advanced Functional Materials (2024)]. DOI: 10.1002/adfm.202404861