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Ein batterieloses tragbares Gerät überwacht drahtlos den Gesundheitszustand und nutzt die Körperwärme für eine kontinuierliche Stromversorgung.
Wearables zur persönlichen Gesundheitsüberwachung sind eine nichtinvasive Möglichkeit, physiologische und biochemische Parameter zu verfolgen, die medizinische Fachkräfte und Algorithmen mit dem Gesundheitszustand verknüpfen können.
Die Echtzeitüberwachung von Gesundheitsindikatoren kann Veränderungen erkennen und Aufzeichnungen erstellen, die den Zeitrahmen für Notfallmaßnahmen verkürzen, zur Vermeidung von Verletzungen beitragen, die Prognose verbessern sowie die Krankheitsprävention und unseren gesamten Ansatz im Gesundheitswesen voranbringen.
Heutzutage scheinen tragbare Geräte mit Sensortechnologie weit verbreitet oder sogar allgegenwärtig zu sein, da viele bereits eine Vielzahl von Informationen über den Körper ihres Trägers bieten. Um die tragbare Gesundheitsüberwachung auf die nächste Stufe zu heben, möchte ein Forscherteam der Zhejiang-Universität in China die Einschränkungen der Batterieversorgung überwinden.
Um die Abhängigkeit von starren Batterien zu beseitigen, ist diese nächste Generation von Wearables darauf ausgelegt, die in der Umwelt und im menschlichen Körper selbst verfügbare Energie zu nutzen.
Frühere Studien haben Fortschritte in Richtung batterieloser drahtloser Wearables gemacht; Allerdings waren die geringe Stromerzeugung und die Unfähigkeit, die Energiegewinnung aufrechtzuerhalten, die Haupthindernisse bei diesen Prototypen. Eine hohe Abtastrate und eine kontinuierliche Datenübertragung sind für einen großen Teil des Stromverbrauchs verantwortlich. Sie sind jedoch für die Aufrechterhaltung der Echtzeitüberwachung unerlässlich, die diese tragbaren Sensoren benötigen, um Daten so weiterzuleiten, dass sie schnell genug interpretiert werden können, um eine angemessene Reaktion zu ermöglichen . Unzureichende Leistung stellt daher eine schwerwiegende Einschränkung dar.
Nutzung der Körperwärme für konstante Leistung
Mithilfe eines thermoelektrischen Generators (TEG) nutzt das Forschungsteam der Abteilung für Biomedizintechnik der Zhejiang-Universität in Zusammenarbeit mit dem Institut für flexible Elektronik die reichlich und kontinuierlich verfügbare Wärme bzw. Wärmeenergie, die vom menschlichen Körper erzeugt wird, und wandelt sie in Elektrizität um Mit der Technologie der THU ist es gelungen, ein kabelloses tragbares Gerät mit eigener Stromversorgung zur Überwachung von Herzfrequenz, Schweißzusammensetzung und Körperbewegung in Echtzeit zu entwickeln.
Um dieses hochmoderne TEG zu entwickeln, das genügend Strom erzeugt, um jederzeit seine volle Funktionalität aufrechtzuerhalten, erkannte das Team, dass es neben Materialien, die thermische und elektrische Energie gut leiten, auch ein Design benötigte, das sich dem Körper anpasst. Dies erhöht die Stromerzeugung, da das Gerät bei Körperbewegungen in dauerhaftem Kontakt mit der Wärmequelle bleibt und sich nicht von der Haut löst.
Die Innovation des Teams führte zu einem Design, das aus einer Membran mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, auf der sich ein Gitter aus nicht leitendem Füllmaterial und leitenden thermoelektrischen Säulen befindet, die mit Kupferfolie verbunden sind, die elektrische Energie gut leitet.
Die gesamte Baugruppe kann sich biegen und mit dem Körper bewegen, ohne zu brechen. Das Gerät ist nicht nur angenehmer zu tragen, sondern dank seiner einzigartigen Konstruktion ist der TEG auch vielseitig genug, um am Kopf, am Rumpf oder an den Gliedmaßen des Trägers angebracht zu werden, um die Gesundheit in verschiedenen Szenarien zu überwachen.
Ein eingebauter Kühlkörper
Das Team wusste auch, dass es für die Weiterentwicklung batterieloser Wearables ein Design brauchte, das im Vergleich zu seinen Vorgängern mehr Wärme an die Umgebung abgibt. Durch die verbesserte Wärmeableitung des TEG besteht ein größerer Temperaturgradient zwischen der wärmeren Membran in Kontakt mit der Haut und der kühleren Außenmembran des Geräts. Dieser Temperaturunterschied treibt die Stromerzeugung an, und je größer der Unterschied, desto mehr Strom wird erzeugt.
Anstatt sich auf eine unvorhersehbare Umgebung und Luftbewegung oder Konvektion zu verlassen, um die Oberfläche des Geräts zu kühlen, nutzt das Design Wasser in einem Verdunstungskühlkörper für zusätzliche Kühlung. Verdunstungskühlung tritt auf, wenn Flüssigkeiten trocknen, beispielsweise wenn Schweiß auf dem Körper trocknet, um Menschen abzukühlen, wenn ihnen heiß ist. Sie ist eine effektivere Art der Wärmeableitung als Luftströmung. Praktischerweise kann beim Tragen des Geräts das für diesen Prozess benötigte Wasser durch Schweiß ergänzt werden, um eine effizientere Funktionalität aufrechtzuerhalten.
Neben der Erhöhung der Leistungsabgabe des TEG befassten sich die Forscher auch mit dem Stromverbrauch der Sensoren und der kontinuierlichen Datenübertragung von ihrem tragbaren Monitor zu einem persönlichen Terminal.
Um sein Ziel einer nachhaltigen Gesundheitsüberwachung zu erreichen, reduzierte das Team den durchschnittlichen Stromverbrauch auf weniger als die durchschnittliche Leistung des TEG. Die Sensoreffizienz war wichtig für die Minimierung des Stromverbrauchs, aber die größten Energieeinsparungen ergaben sich durch die Verwendung spezieller Kommunikationsprotokolle für Wearables mit extrem geringem Stromverbrauch.
Das neue batterielose tragbare Gesundheitsüberwachungsgerät mit optimiertem TEG übermittelte erfolgreich Daten von Probanden, die auf einem Laufband liefen oder Badminton spielten.
Während sie ihre Forschung fortsetzen und Fortschritte in der Elektronik mit geringem Stromverbrauch und speziellen Kommunikationsprotokollen machen, hofft das Team, die Leistungsabgabe des TEG weiter zu verbessern, um einen Vitalzeichenmonitor zu schaffen, der mit der Wärmeenergie des menschlichen Körpers unbegrenzt betrieben werden kann.
Referenz: Qingjun Liu, et al., Körperwärmebetriebenes, drahtlos tragbares System zur physiologischen und biochemischen Überwachung in Echtzeit, Fortgeschrittene Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202303361
Bildnachweis des Beitrags: FitNish Media auf Unsplash
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