スマートブレスレットは充電の自由を手に入れた？

21 世紀の技術の波の中で、ウェアラブル電子機器は徐々に私たちの生活に欠かせないものになりつつあります。これらのデバイスは、携帯性、機能性、使いやすさにより、デジタル世界との関わり方を変えています。

ウェアラブル デバイスには、単純な歩数計から複雑な健康モニタリング システムまでさまざまな種類があり、それぞれに独自の用途と機能があります。たとえば、スマートウォッチは時間を知るだけでなく、心拍数、睡眠の質、歩数を監視したり、通知を受け取ったりすることもできます。健康モニターは、血糖値、血圧、心電図などの主要な生理学的指標をリアルタイムで追跡できます。バーチャルリアリティグラスは、ユーザーに没入感のある体験を提供し、ゲーム、教育、トレーニングシミュレーションで広く使用されています。

図1 フレキシブル電極材料をベースに開発されたウェアラブル電子デバイス。画像出典：サイエンスタイムズ。ウェアラブルデバイスの利便性は明白ですが、依然としてエネルギー供給の課題に直面しています。従来のバッテリーは定期的な充電が必要なだけでなく、寿命の制限や環境問題もあります。その結果、研究者たちは、太陽エネルギー、運動エネルギー、さらには人体の熱などを利用して、これらのデバイスをエネルギー自給自足にする方法を模索しています。

このような背景から、熱電式ウェアラブルデバイスや指先に装着するマイクログリッド技術が誕生しました。熱電式ウェアラブルデバイスは熱電材料を使用して人体の熱を電気に変換し、指先のマイクログリッドはバイオ燃料電池と伸縮性バッテリーを通じてエネルギーを収集して蓄積し、ウェアラブルデバイスへの継続的な電力供給を実現します。これらの技術はエネルギー効率を向上させるだけでなく、環境への影響を軽減します。

熱電ウェアラブルデバイス

熱電ウェアラブルデバイスは、熱電材料の両端​​に温度差があると電圧と電流を生成する能力である熱電効果に基づいています。これらのデバイスの主な利点は、体温など人体が自然に発生する熱を利用して電気を生成する能力であり、それによって従来のバッテリーへの依存を減らすことができます。

図2 自己発電型電子システム用のウェアラブル熱電材料とデバイス 画像提供: Advanced Materials

熱電材料: これらのデバイスの中心となるのは熱電材料であり、テルル化ビスマスやテルル化アンチモンなどの無機半導体、または有機ポリマーです。これらの材料の熱電性能指数によって、変換効率が決まります。熱電性能指数が高いほど、変換効率は向上します。

柔軟性と快適性: 人体の不規則な表面や動的な動きに適応するために、熱電ウェアラブルデバイスは優れた柔軟性と伸縮性を備えている必要があります。これは多くの場合、熱電材料とポリマーなどの柔軟な基板材料を組み合わせることによって実現されます。

設計革新：熱電デバイスの出力を高めるために、研究者は熱電材料の表面積を増やしたり、熱電材料のナノ構造を最適化したり、温度勾配を高めるためにより効率的な熱管理システムを設計したりするなど、さまざまな設計戦略を採用してきました。

指先に装着できるマイクログリッド

図3 統合型指先ウェアラブルマイクログリッドの原理と設計

(a) バイオ燃料電池、銀-塩化亜鉛電池、フレキシブルプリント基板、浸透圧汗抽出支援紙流体システムを備えたウェアラブルセンサーを含む、指先のウェアラブルマイクログリッドシステムの概略図。バイオ燃料電池と塩化銀亜鉛電池セルの組み合わせは、直列に接続された 2 つの塩化銀亜鉛電池セルを含むエネルギー モジュールとして構築され、各電池セルは直列に接続された 2 つのバイオ燃料電池によって充電されます。挿入図（赤で囲んだ部分）は、4 つのバイオ燃料電池と汗を吸い出すための中央浸透圧ポンプ システムなど、指先に接触するコンポーネントを拡大したものです。（i）メイン概略図、（ii）腹側、（iii）背側。

(b) ワイヤレスデータ伝送とスマートフォンディスプレイを備えた、エネルギー収集、エネルギー貯蔵、電気化学センシングのための指先に取り付けるマイクログリッドの動作原理の概略図。指先の汗は、それぞれ受動的なエネルギー収集と継続的なセンシングのためのバイオ燃料とバイオマーカーを提供します。マイクロコントローラ ユニットは 4 つのセンサーに電力を供給し、生成された信号はアナログ - デジタル コンバーターを介して読み取り可能なデータに変換され、Bluetooth Low Energy を介して送信され、さらに分析されます。画像出典: Nature Electronics

指先に装着するウェアラブル マイクログリッドは、指先の高い汗腺密度を利用してバイオエネルギーを採取することに重点を置いた、より具体的なウェアラブル エネルギー ソリューションです。このようなシステムには通常、次の主要コンポーネントが含まれます。

バイオ燃料電池: バイオ燃料電池は、乳酸などの指先の汗に含まれる化学物質を燃料として使用し、生化学反応によって電気を生成します。これらのセルの設計には、エネルギー変換の効率を向上させるために酵素触媒が組み込まれることがよくあります。

伸縮性電池：塩化銀亜鉛電池など、バイオ燃料電池で発電した電気を蓄えることができます。バッテリーは、指先の形状や動きに適応できるよう、伸縮性と柔軟性を備えて設計されています。

マイクロ流体システム: 汗を効率的にセンサーに導くために、指先のマイクログリッドには通常、レーザー彫刻されたマイクロ流体紙チャネルなどのマイクロ流体システムが組み込まれています。これらのチャネルは毛細管現象を利用して汗をセンサーまで運びます。

電気化学センサー: これらのセンサーは、汗に含まれるブドウ糖、ビタミン C、乳酸などの特定の化学物質を検出するために使用されます。化学信号を電気信号に変換し、マイクロコントローラーで処理します。

低電力エレクトロニクス: Fingertip Microgrid には、センサー信号を処理し、データをスマートフォンやその他のデバイスにワイヤレスで送信するための低電力マイクロコントローラーとワイヤレス送信モジュールが含まれています。

熱電ウェアラブルデバイスと指先ウェアラブルマイクログリッドの今後の開発では、エネルギー変換効率の向上、ユーザーエクスペリエンスを向上させるデバイス設計の最適化、健康モニタリング、環境モニタリング、ヒューマンコンピューターインタラクションなどの分野でのアプリケーションの拡大に重点が置かれることになります。技術が成熟するにつれて、これらのデバイスはヘルスケア、スポーツ科学、軍事、エンターテインメントなど多くの分野で重要な役割を果たし、人々の生活にさらなる利便性と健康保護をもたらすことが期待されています。

参考文献:

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