Улучшенное удержание тепла повышает эффективность запонного здоровья монитора

Инженеры Северной Каролинского государственного университета продолжают повышать эффективность гибкого устройства, носимого на запястье, которое собирает тепловую энергию человеческого тела для мониторинга здоровья.

Исследователи сообщают об значительных улучшениях в предотвращении утечки тепла в гибком сборщике тепла тела, о котором они впервые сообщили в 2017 году и обновили в 2020 году. Сборщики используют тепловую энергию человеческого тела для питания носимых технологий — подумайте о умных часах, измеряющих частоту сердечных сокращений, кислород в крови, глюкозу и другие параметры здоровья — которым никогда не нужно заряжать батареи. Технология опирается на те же принципы, что и жесткие термоэлектрические сборщики, преобразующие тепло в электрическую энергию.

Гибкие сборщики, прилегающие к телу, крайне желательны для использования с носимыми технологиями. Мехмет Озтурк, профессор электротехники и информатики NC State, упомянул превосходный контакт с кожей гибких устройств, а также эргономические соображения и комфорт для носителя устройства как основные причины создания гибких термоэлектрических генераторов (TEG).

Производительность и эффективность гибких сборщиков исторически сильно отстают от жестких устройств, которые превосходили в способности преобразовывать тепло тела в используемую энергию.

Доказательство концепции TEG, изначально сообщенное в 2017 году, использовало полупроводниковые элементы, соединенные электрически последовательно с помощью жидкометаллических межсоединений из EGaIn — нетоксичного сплава галлия и индия. EGaIn обеспечивал как металлоподобную электрическую проводимость, так и растяжимость. Все устройство было встроено в растяжимый силиконовый эластомер.

Улучшенное устройство, сообщенное в 2020 году, использовало ту же архитектуру, но значительно улучшило термическую инженерию предыдущей версии, увеличивая плотность полупроводниковых элементов, отвечающих за преобразование тепла в электричество. Одним из улучшений был силиконовый эластомер с высокой теплопроводностью — по сути, тип резины — инкапсулирующий межсоединения EGaIn.

Новейшая итерация добавляет хлопья аэрогеля в силиконовый эластомер для снижения теплопроводности эластомера. Экспериментальные результаты показали, что это инновация сократила утечку тепла через эластомер вдвое.

«Добавление аэрогеля останавливает утечку тепла между термоэлектрическими "ногами" устройства», — сказал Озтурк. «Чем выше утечка тепла, тем ниже температура, развивающаяся через устройство, что переводится в более низкую выходную мощность».

«Гибкое устройство, описанное в этой статье, работает на порядок лучше, чем устройство, о котором мы сообщили в 2017 году, и продолжает приближаться к производительности жестких устройств», — добавил он.

Озтурк сказал, что одной из сильных сторон запатентованной NC State технологии является то, что она использует те же самые полупроводниковые элементы, используемые в жестких устройствах, доведенных до совершенства после десятилетий исследований. Подход также предоставляет низкозатратную возможность существующим производителям жестких термоэлектрических модулей войти в рынок гибких термоэлектрических устройств.

Он добавил, что его лаборатория продолжит фокусироваться на повышении эффективности этих гибких устройств.