Носимые датчики прочно вошли в нашу жизнь. Легкие и удобные браслеты считают шаги и калории, следят за качеством сна, измеряют давление и пульс, определяют количество кислорода и сахара в крови. Браслет с тревожной кнопкой позволяет одним нажатием позвать близких на помощь и передать им свои координаты.
К сожалению, у пожилых людей хрупкое здоровье часто сочетается с плохой памятью. Они забывают вовремя зарядить устройство, или, сняв его для зарядки, забывают надеть. Когда речь идет о глюкометре или тревожной кнопке, за такую забывчивость можно заплатить жизнью.
Поэтому множество научных групп по всему миру работает над устройствами, которые вообще не нужно заряжать. Но откуда брать энергию, если не из розетки?
Тепло наших тел
Самый очевидный ресурс — тепло человеческого тела. Даже спокойно отдыхающий человек выделяет около 1,5 ватт тепла на килограмм массы. Как ни удивительно, по этому показателю человек в тысячи раз эффективнее Солнца. Мы слишком малы, чтобы согреть собой планету, но уж на носимый датчик-то нас хватит?
Однако все не так просто. Во-первых, устройство собирает тепло только там, где касается кожи. Миниатюрный браслет выработает слишком мало энергии, а упаковываться в комбинезон покупатель вряд ли захочет. Во-вторых, тепловую энергию нужно преобразовать в электрическую. КПД таких преобразователей измеряется считанными процентами. Наконец, для получения электричества важна не столько температура, сколько разность температур. Одна часть системы должна быть теплее другой. Чем больше эта разница, тем больше энергии можно получить. Как только все части термогенератора равномерно нагреются, он перестанет работать. То есть нужно заботиться не только о нагреве внутренней (примыкающей к коже) поверхности устройства, но и об охлаждении внешней. Поэтому невозможно запитать собственным теплом кардиостимулятор или другой имплантат. Да и комнатная температура не так уж отличается от температуры тела. Браслеты, способные работать только зимой на открытом воздухе, едва ли кого-то заинтересуют.
По этим причинам выбор устройств, работающих от «бесплатного» человеческого тепла, пока очень ограничен. В их числе экспериментальные термометры, электрокардиографы и акселерометры. Ни один из этих продуктов пока не вышел на рынок.
Энергетика человека
Авторы научной статьи, недавно опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, преодолели важный рубеж. Они создали пульсоксиметр, работающий от тепла кожи.
Пульсоксиметр измеряет частоту сердечных сокращений и уровень кислорода в крови, просвечивая кожу безопасным маломощным лазером. Пандемия COVID-19 познакомила нас с этими устройствами в виде «прищепок», надеваемых на палец и работающих от пальчиковых батареек. Многие модели фитнес-браслетов с литий-ионными аккумуляторами тоже оснащены пульсоксиметрами. Этот прибор, жизненно важный при многих заболеваниях, потребляет мало энергии по меркам гаджетов, но очень много для «телесной энергетики».
Поэтому ученые боролись за каждую микроскопическую долю ватта. Нельзя было забывать также о гибкости, эластичности и мягкости устройства. Ведь гаджет должен плотно прилегать к коже, но не травмировать ее и не мешать движениям.
В результате появилась многослойная конструкция, некоторые части которой пришлось печатать на 3D-принтере. Не останавливаясь на всех слоях, укажем главные части. Непосредственно с кожей контактирует эпоксидная смола с микрокаплями жидкого металла. Последние состоят на 75% из галлия и на 25% из индия (этот состав плавится при температуре 16 °C). Микрокапли образуют в толще материала трехмерные сети, очень хорошо проводящие тепло. Сердце устройства — термогенераторы из полупроводников, которые не удалось сделать гибкими. Разработчики боролись не только с тепловым, но и с электрическим сопротивлением. Они применили хитроумную систему управления питанием и специальный энергоэффективный Bluetooth-излучатель.
И все же у экспериментаторов получился не браслет, а рукав, охватывающий все предплечье. Как заявляют авторы, устройство может работать неограниченно долго, «пока существует достаточная разница температур». Лучшую разницу температур обеспечивает движение руки при ходьбе или беге, поскольку тогда рукав обдувается потоком воздуха. Тем не менее устройство работает и на неподвижном пользователе.
Горячие перспективы?
TEGsense, как назвали разработчики свое детище — это экспериментальный, а не коммерческий продукт. Как минимум нужно доказать безопасность длительного контакта материала с кожей и разработать технологию промышленного производства этих устройств. Кроме того, вряд ли пользователь захочет ходить в громоздком и заметном рукаве. Чтобы превратить его в браслет, энергоэффективность придется увеличить в несколько раз. Это сложная задача, учитывая, что ученые и так экономили мощность где только могли. Отчасти может помочь сбор не только тепловой, но и механической энергии от движения руки. Но это не решит проблему, ведь пользователя не заставишь махать руками по расписанию.
Трудно сказать, годы отделяют нас от «вечных» фитнес-браслетов или десятилетия. Исследования по литий-ионным аккумуляторам начались в 1970-е, а в широкий коммерческий оборот они вышли только в 1990-е. Зато сейчас нам уже сложно представить без них свой быт. Возможно, та же судьба ждет и устройства, запитанные человеческим теплом.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора