فهرست مطالب
مولدهای ترموالکتریک میتوانند گرمای بدن را به انرژی تبدیل کنند و با کاهش مصرف باتری، نیاز به شارژ گجتهای پوشیدنی را کمتر کنند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، در طول یک دهه گذشته، تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی به بخشی از پوشش روزمره ما تبدیل شدهاند و ظاهراً به اندازه کمربند، کفش یا جوراب مورد علاقهمان ضروری هستند.
حلقههای هوشمند و ساعتهای هوشمند خواب و سایر شاخصهای سلامت را ردیابی میکنند و هدفونهای بیسیم و عینکهای هوشمند نیز بهعنوان چشم و گوش دیجیتال دستیارهای هوش مصنوعی جدید عمل میکنند.
بازار گجتهای پوشیدنی نیز با سرعت زیادی در حال رشد است. شرکت تحلیل بازار IDC اعلام کرده است که مجموع عرضه گجتهای پوشیدنی در سهماهه نخست سال ۲۰۲۶ به کمی کمتر از ۱۴۶ میلیون دستگاه رسیده است.
رشد عینکهای هوشمند و حلقههای هوشمند نیز بهویژه چشمگیر بوده و سرعت رشد این محصولات از رشد کلی بازار بیشتر است.
بنابراین، گجتهای پوشیدنی قطعاً محبوب هستند، اما مشکلاتی نیز دارند.
این دستگاهها برای ارائه قابلیتهای مورد انتظار کاربر باید بهطور مداوم پوشیده شوند، اما در نهایت کاربر مجبور است آنها را از بدن جدا کند.
باتریها خالی میشوند و دستگاه باید روی یک داک شارژ اختصاصی قرار بگیرد یا به شکلی نهچندان راحت با کابل USB-C به برق متصل شود.
این مشکل شاید فقط حدود یک ساعت طول بکشد، اما اگر بخواهید تصویری کامل از وضعیت سلامت خود در طول روز داشته باشید یا خواب خود را ردیابی کنید، همین یک ساعت ناگهان به شکافی در دادههای شما تبدیل میشود.
این موضوع هنگام شمارش قدمها شاید فقط آزاردهنده باشد، اما اگر بخواهید دادههای مهم سلامت را بهطور مداوم برای مدیریت یک بیماری مزمن یا ردیابی اطلاعات حیاتی دیگر ثبت کنید، چنین وقفهای میتواند اهمیت زیادی داشته باشد.
خوشبختانه، راهکاری در افق دیده میشود که میتواند گجتهای پوشیدنی را سرانجام از وابستگی به پریز برق یا درگاه USB لپتاپ برای ادامه فعالیت آزاد کند.
مولدهای ترموالکتریک یا TEG میتوانند با استفاده از اختلاف دمای میان بدن و محیط اطراف، برق تولید کنند.
این مولدها تقریباً قطعاً نمیتوانند انرژی موردنیاز ساعت هوشمند یا عینک هوشمند را تأمین کنند، زیرا نمایشگرهای پوشیدنی مصرف انرژی بیشتری دارند.
اما وضعیت در مورد جدیدترین گجتهای پوشیدنی بدون نمایشگر کاملاً متفاوت است.
بهجای اینکه یک باتری خالی در مدت کوتاهی شارژ شود، یک گجت پوشیدنی میتواند در طول روز بهطور مداوم مقادیر بسیار کمی انرژی از بدن کاربر دریافت کند و سرعت تخلیه باتری کوچک خود را کاهش دهد.
در برخی گجتهای پوشیدنی که از حسگرهای کممصرف استفاده میکنند، یک TEG میتواند تقریباً تمام انرژی موردنیاز دستگاه را تأمین کند و نیاز به شارژ را برای هفتهها یا حتی بیشتر از بین ببرد.
باتری فضای ارزشمند گجتهای پوشیدنی را اشغال میکند
به دلیل اندازه کوچک گجتهای پوشیدنی، تمام قطعات داخلی باید برای استفاده از حجم بسیار محدود موجود با یکدیگر رقابت کنند.
باتریها بزرگ هستند و اگرچه ظرفیت بیشتر باتری میتواند مدت کارکرد دستگاه را بدون شارژ افزایش دهد، فضای بیشتری اشغال میکند و تعداد و نوع حسگرهایی را که میتوان در یک گجت پوشیدنی قرار داد، محدود میکند.
اندرو اونیل، متخصص انطباق مقرراتی در اتحادیه اروپا که در حوزه باتریها فعالیت میکند، به گیزمودو گفت: «ظرفیت باتری یکی از محدودیتهای اساسی در طراحی گجتهای پوشیدنی است. باتری بزرگتر معمولاً به معنای زمان کارکرد بیشتر است، اما فضای بیشتری اشغال میکند و وزن دستگاه را افزایش میدهد.
در یک حلقه، دستبند یا گجت پوشیدنی کوچک دیگر، این موضوع میتواند به محصولی ضخیمتر یا فضای کمتر برای حسگرها و تجهیزات الکترونیکی منجر شود.
در نقطه مقابل، کوچک کردن بیش از حد باتری میتواند راحتی و ظاهر محصول را بهبود دهد، اما ممکن است کاربر مجبور شود دستگاه را آنقدر مکرر شارژ کند که استفاده از آن آزاردهنده شود.»
این مصالحه بهویژه آزاردهنده است، زیرا برخی از دستگاههایی که بیشترین سود را از طراحی باریک میبرند، همان محصولاتی هستند که هرچه مدت بیشتری بهطور مداوم پوشیده شوند، کاربرد بیشتری خواهند داشت.
برای مثال، ردیابهای خواب دقیقاً به این دلیل کاربردی هستند که کاربر میتواند وجود آنها روی بدن خود را فراموش کند و دستگاه مزاحم خوابش نشود.
اما هر میلیمتر مکعب فضایی که از یک باتری ضخیم و نسبتاً سنگین آزاد شود، احتمال اینکه ردیاب خواب نتواند تمام شب فعال بماند را افزایش میدهد.
در چنین شرایطی تنها بخشی از خواب شبانه برای تحلیل در دسترس خواهد بود. برداشت انرژی این معادله را تغییر میدهد، زیرا باتری دیگر مجبور نیست تمام انرژی موردنیاز حسگرهای دستگاه را بین چرخههای شارژ تأمین کند.
فرانسیسکو مولینا-لوپز، دانشیار بخش مهندسی مواد در دانشگاه KU Leuven بلژیک، میگوید: «در نهایت، اینها فناوریهای رقیب نیستند.
باتریها میتوانند انرژی بسیار بیشتری ذخیره کنند و توان بسیار بیشتری نسبت به گرمای بدن بهتنهایی ارائه دهند، اما ایده این است که این دو فناوری مکمل یکدیگر باشند.»
برخی قطعات گجتهای پوشیدنی، مانند آنتن بیسیم، انرژی بسیار بیشتری نسبت به توان مستقیم یک TEG مصرف میکنند.
بنابراین برای تأمین این انرژی همچنان باید به باتری متکی بود. اما زمانی که قطعات در حالت خواب یا کممصرف قرار دارند، میتوان از گرمای بدن برای شارژ مجدد باتری استفاده کرد.
مولینا-لوپز میگوید: «باتری مانند یک بافر انرژی عمل میکند که بهطور مداوم پر میشود، نه اینکه فقط یکبار انرژی را ذخیره کند.»
بیشتر بخوانید: گجت پوشیدنی اوپو غذا، فعالیت و سبک زندگی روزانهتان را ثبت میکند
مچ دست شما همین حالا هم انرژی از دست میدهد
یک TEG صرفاً به این دلیل که بدن انسان گرم است برق تولید نمیکند. این فناوری به اختلاف دمای میان پوست و هوای اطراف متکی است.
این فرایند از اثر سیبک استفاده میکند، پدیدهای که در آن اختلاف دما در مواد ترموالکتریک خاص باعث ایجاد ولتاژ الکتریکی میشود.
سمت گرم این فرایند از محلی آغاز میشود که گجت پوشیدنی با پوست تماس دارد، مانند قسمت داخلی یک دستبند تناسب اندام روی مچ دست.
سطح بیرونی گجت نیز سمت سرد این سیستم را تشکیل میدهد.
زمانی که گجت گرما را از پوست جذب میکند، این گرما از طریق ماده ترموالکتریک به سمت سردتر دستگاه حرکت میکند و بخشی از انتقال گرما به برق تبدیل میشود.
هرچه اختلاف دما بیشتر باشد و سطح تماس گجت با پوست نیز گرمای بدن را با کارایی بیشتری به دستگاه منتقل کند، اثر ترموالکتریک مفیدتر خواهد بود.
مولینا-لوپز توضیح میدهد: «هرچه سطح تماس گجت پوشیدنی با پوست بیشتر باشد، توان بیشتری میتوانید از اثر سیبک دریافت کنید.»
پژوهشها نشان دادهاند که این اعداد دیگر صرفاً موضوعات دانشگاهی نیستند و میتوانند منبعی برای شارژ مداوم یا حتی تأمین مستقیم انرژی برخی حسگرهای کممصرف باشند.
اونیل میگوید: «سیستم ترموالکتریک بهطور مداوم بخشی از انرژی مصرفشده توسط گجت پوشیدنی را جایگزین میکند. سیستمهای پژوهشی فعلی در شرایط استفاده پوشیدنی، توانهایی در محدوده دهها یا صدها میکرووات تولید میکنند و تحقیقات آزمایشگاهی جدیدتر نیز به میزان قابلتوجهی فراتر از این مقدار رفتهاند.
این میزان انرژی برای دستگاههایی که بر پایه تجهیزات الکترونیکی فوقکممصرف طراحی شدهاند، گرمای بدن را به منبعی واقعاً جذاب تبدیل میکند، هرچند این فناوری جایگزین عمومی شارژ معمولی نیست.»
برای سازندگان گجتهای پوشیدنی، TEGها راهی برای دریافت انرژی اضافی تقریباً بهصورت رایگان فراهم میکنند.
این فناوری میتواند انعطاف بیشتری در طراحی و امکانات دستگاهها ایجاد کند، امکاناتی که در غیر این صورت به دلیل نیاز به طراحی باریک و سبک محدود میشدند.
هنوز شارژر اپل واچ خود را دور نیندازید
متأسفانه قوانین ترمودینامیک همچنان پابرجا هستند و گجتهای پوشیدنی مجهز به TEG در آینده نزدیک قرار نیست یک راه فرار از قوانین فیزیک و تولید انرژی رایگان روی مچ دست ایجاد کنند.
میزان انرژی قابل برداشت از گرمای بدن یک محدودیت اساسی دارد، زیرا این فرایند به اختلاف دمای میان بدن و محیط نیاز دارد.
دمای بدن در طول روز تغییر میکند، اما دمای مرکزی بدن معمولاً حدود ۹۸.۶ درجه فارنهایت است و دمای پوست نیز معمولاً بین ۹۰ تا ۹۴ درجه فارنهایت قرار دارد.
اگر در هوایی با دمای ۹۰ درجه فارنهایت شروع به دویدن کنید، اختلاف دما عملاً از بین میرود و توانایی TEG برای تولید برق نیز کاهش مییابد.
یک مطالعه در سال ۲۰۲۴ نشان داد که یک نمونه اولیه TEG در حدود دمای ۸۶ درجه فارنهایت دیگر توان مؤثری تولید نمیکرد. این دما در بسیاری از مناطق، یک روز تابستانی نسبتاً معمولی محسوب میشود.
از سوی دیگر، بدن انسان تنها میتواند محدوده نسبتاً محدودی از دما را در هر دو جهت تحمل کند. بهطور کلی، دمای کمتر از ۵۹ درجه فارنهایت برای پوست بدون پوشش بهتدریج دردناک میشود و حد بالایی نیز حدود ۱۱۳ درجه فارنهایت است که در آن پوست بدون پوشش بهشدت احساس گرما و درد خواهد داشت.
علاوه بر این، توان تولیدی TEGها معمولاً در محدوده چند صد میکرووات قرار دارد، در حالی که حتی فرستندههای رادیویی کممصرف مورد استفاده ساعتهای هوشمند و دستبندهای تناسب اندام برای ارسال دادههای حسگر به گوشی هوشمند میتوانند چند میلیوات انرژی مصرف کنند.
هر میلیوات برابر با هزار میکرووات است. برنامههای فعال روی دستگاه نیز ممکن است صدها میلیوات انرژی بیشتر مصرف کنند. بنابراین مشکل محاسباتی کاملاً مشخص است.
در مورد جدیدترین اپل واچ، سهم انرژی TEG ناچیز است، اما این موضوع درباره همه گجتهای پوشیدنی صدق نمیکند.
بیشتر بخوانید: گجتهای پوشیدنی سلامت و تهدید زیستمحیطی بزرگ آنها
طراحی هدفمند میتواند گجتهای مجهز به گرمای بدن را عملی کند
اگرچه مصرف انرژی گجتهای پوشیدنی امروزی ممکن است برای تأمین کامل انرژی توسط یک TEG کوچک بیش از حد زیاد به نظر برسد، باید در نظر داشت که این دستگاهها اساساً با هدف استفاده از TEG طراحی نشدهاند.
همین موضوع میتواند محاسبات انرژی را برای بسیاری از گجتهای پوشیدنی محبوب امروزی تغییر دهد.
فران رِوِرتِر، دانشیار و پژوهشگر حوزه برداشت انرژی در دانشگاه پلیتکنیک کاتالونیا در بارسلونا، میگوید: «اگرچه این توان محدود است، برای دستگاههای کممصرف مانند ساعت هوشمند مجهز به نمایشگر کاغذ الکترونیکی، حسگرهای کممصرف، ارتباطات متناوب کمانرژی و محاسبات حداقلی روی دستگاه واقعاً کافی است.»
حسگرها و قطعات کوچکتر گجتهای پوشیدنی امروزی معمولاً انرژی زیادی مصرف نمیکنند، بهویژه اگر حسگرها غیرفعال باشند، همیشه فعال نباشند یا بتوان آنها را در حالت بسیار کممصرف قرار داد.
در چنین حالتی، حسگر فقط در فواصل مشخص برای ثبت یک داده فعال میشود و سپس دوباره به حالت خواب میرود.
در این شرایط، میتوان هر قطعه را به یک TEG متصل کرد تا انرژی موردنیاز برای جمعآوری داده را بدون استفاده از باتری تأمین کند.
همچنین میتوان زمانبندی و فاصله میان مصرفهای انرژی را بهگونهای تنظیم کرد که TEG پیش از ثبت داده بعدی، فرصت کافی برای شارژ مجدد بخشی از باتری داشته باشد.
اونیل میگوید: «اگر اطلاعات دقیقتر روی گوشی مشاهده شود، نه یک نمایشگر معمولی، گجت پوشیدنی میتواند انرژی خود را تقریباً بهطور کامل صرف حسگرها، پردازش محلی و ارتباطات دورهای کند. این کار بودجه انرژی موردنیاز را بهشدت کاهش میدهد.»
او اضافه میکند: «آنچه اهمیت دارد این است که آیا در یک بازه زمانی بهاندازه کافی طولانی، مجموع انرژی برداشتشده به مجموع انرژی مصرفشده نزدیک میشود یا از آن فراتر میرود.»
یکی دیگر از راههای افزایش توان TEG، افزایش سطحی است که گرما را از پوست جذب میکند. این کار میتواند توان خروجی TEG را به میزان قابلتوجهی افزایش دهد.
اونیل میگوید: «یک دستبند نسبت به یک حلقه سطح تماس بسیار بیشتری با پوست دارد و این موضوع برای تولید انرژی ترموالکتریک مفید است.» در ردیابهای تناسب اندام و سایر گجتهای پوشیدنی دورپیچ، مانند ساعتهای هوشمند، دستبند عملاً فضای آزاد قابلاستفادهای است که معمولاً فقط برای بازتاب سبک شخصی کاربر به کار میرود. با پیشرفت الکترونیک انعطافپذیر، دلیلی وجود ندارد که قطعات کاربردی در این بخش قرار نگیرند.
اونیل اضافه میکند: «میتوانم دستبندی نسبتاً باریک را تصور کنم که تقریباً تمام ساختار آن دارای یک عملکرد الکتریکی یا حرارتی باشد. سطح داخلی میتواند شامل عناصر ترموالکتریک انعطافپذیر باشد که با پوست تماس دارند. سطح بیرونی نیز میتواند برای دفع مؤثر گرما طراحی شود و عملاً نقش سمت سرد سیستم ترموالکتریک را ایفا کند.»
انرژی رایگان واقعاً رایگان نیست، دستکم در ابتدا
بزرگترین مانع برای گسترش استفاده از TEGها، هزینه اولیه این فناوری است.
اونیل میگوید: «در ابتدا انتظار دارم TEGها هم هزینه و هم پیچیدگی مهندسی را افزایش دهند. یک سیستم ترموالکتریک به مواد، رابطهای حرارتی و تجهیزات الکترونیکی تخصصی برای مدیریت توان نیاز دارد.»
همچنین سازندگان باید مطمئن شوند که فناوری برداشت گرمای بدن در دستبندها یا بازوبندها تجربه کاربری دستگاه را خراب نمیکند، زیرا در غیر این صورت استفاده از این فناوری چه فایدهای خواهد داشت؟
مولینا-لوپز میگوید: «یکی از چالشهای طراحی، ایجاد اتصال مناسب میان دستگاه و پوست و در عین حال حفظ راحتی کاربر است. نباید حرکت کاربر را محدود کند و نباید باعث تعریق او شود.»
چالش دیگر، خنک نگه داشتن سمت دستگاهی است که با هوا تماس دارد و رساندن آن به دمای محیط است تا اختلاف دمای موردنیاز برای عملکرد TEG ایجاد شود.
رِوِرتِر میگوید: «برای اینکه سمت سرد TEG به دمای محیط نزدیک باشد، باید نوعی هیتسینک به آن متصل شود. هرچه سطح هیتسینک بیشتر باشد، برداشت انرژی بهتر خواهد بود، اما طراحی دستگاه میتواند حجیمتر شود. باید ایدههای هوشمندانه و جدیدی برای قرار دادن یک هیتسینک مؤثر در طراحی ارائه شود، بدون اینکه ابعاد کلی دستگاه افزایش پیدا کند.»
به همین دلیل، بسیاری از سازندگان گجتهای پوشیدنی احتمالاً در حال حاضر مزیت اقتصادی کافی برای استفاده از TEGها در محصولات خود نمیبینند. با این حال، شرایط اقتصادی زمانی بهتر میشود که فناوری برداشت انرژی بتواند در قطعاتی ادغام شود که سازندگان در هر صورت از آنها استفاده میکنند، مانند دستبند یا بدنه حلقه هوشمند.
احتمال دیگر این است که TEGها مانند بسیاری از فناوریهای جدید، مسیر ورود به بازار مصرفی را از کاربران سازمانی و صنعتی آغاز کنند. این گروهها توان بیشتری برای پذیرش هزینههای اولیه بالاتر دارند.
با کاهش هزینهها و ادغام بهتر TEGها در اکوسیستم گجتهای پوشیدنی، و همچنین افزایش توانایی این فناوری برای برداشت گرمایی که بدن انسان همین حالا نیز به محیط منتقل میکند، ممکن است زمانی برسد که شارژ روزانه یا حتی هفتگی این دستگاهها به گذشته تعلق داشته باشد.
