Fortschritte bei Wearables Technologie verändern die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und spielen, und auch die Art und Weise, wie Gesundheitsversorgung bereitgestellt und empfangen wird. Zu den Wearables, die Einzug in den Alltag gehalten haben, gehören Smartwatches und drahtlose Kopfhörer, während im Gesundheitswesen tragbare Injektoren, EKG-Überwachungspflaster, Hörgeräte und mehr zu den gängigen Geräten gehören.
Ein Hauptproblem bei der Verwendung dieser Wearables besteht darin, diese Geräte ordnungsgemäß und bequem mit Strom zu versorgen. Mit zunehmender Anzahl von Wearables steigt die Notwendigkeit, mehrere Batterien gleichzeitig aufzuladen, was enorme Mengen an Strom verbraucht. Viele Benutzer empfinden es als mühsam, täglich zahlreiche Geräte aufzuladen, und es kommt zu unangenehmen Betriebsunterbrechungen, wenn die Batterien leer sind.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Jerald Yoo vom Department of Electrical and Computer Engineering und dem N.1 Institute for Health der National University of Singapore (NUS) hat eine Lösung für diese Probleme entwickelt. Ihre Technologie ermöglicht es einem einzelnen Gerät, beispielsweise einem Mobiltelefon, das in der Tasche steckt, andere tragbare Geräte am Körper eines Benutzers drahtlos mit Strom zu versorgen, wobei der menschliche Körper als Medium für die Energieübertragung verwendet wird. Das neuartige System des Teams hat einen zusätzlichen Vorteil – es kann ungenutzte Energie aus der Elektronik in einer typischen Heim- oder Büroumgebung gewinnen, um die Wearables mit Strom zu versorgen.
Den menschlichen Körper als Medium zur Energieübertragung nutzen
Um die Batterielebensdauer zu verlängern und den vollständig autonomen – aber dennoch kabellosen – Betrieb von tragbaren Geräten aufrechtzuerhalten, sind Energieübertragungs- und Energy-Harvesting-Ansätze erforderlich. Herkömmliche Ansätze zur Stromversorgung von Wearables im Körperbereich sind jedoch durch die Entfernung, über die Energie übertragen werden kann, den „Weg“, den die Energie ohne Hindernisse zurücklegen kann, und die Stabilität der Energiebewegung begrenzt. Daher war keine der aktuellen Methoden in der Lage, Wearables, die um den gesamten menschlichen Körper herum angebracht werden, mit nachhaltiger Energie zu versorgen.
Das NUS-Team beschloss, den Spieß umzudrehen, indem es ein Empfänger- und Sendersystem entwickelte, das genau das Hindernis der drahtlosen Energieversorgung – den menschlichen Körper – als Medium für die Energieübertragung und Energiegewinnung nutzt. Jeder Empfänger und Sender enthält einen Chip, der als Sprungbrett verwendet wird, um die Abdeckung über den gesamten Körper zu erweitern.
Ein Benutzer muss nur den Sender an einer einzigen Stromquelle platzieren, beispielsweise die Smartwatch am Handgelenk eines Benutzers, während mehrere Empfänger an einer beliebigen Stelle am Körper der Person platziert werden können. Das System nutzt dann die Energie aus der Quelle, um mehrere Wearables am Körper des Benutzers über einen Prozess mit Strom zu versorgen, der als körpergekoppelte Kraftübertragung bezeichnet wird. Auf diese Weise muss der Benutzer nur ein Gerät aufladen und der Rest der getragenen Geräte kann gleichzeitig von dieser einzigen Quelle mit Strom versorgt werden. Die Experimente des Teams zeigten, dass ihr System es ermöglicht, dass eine einzige Stromquelle, die vollständig aufgeladen ist, bis zu 10 tragbare Geräte am Körper über eine Dauer von über 10 Stunden mit Strom versorgt.
Als ergänzende Energiequelle untersuchte das NUS-Team auch die Gewinnung von Energie aus der Umwelt. Ihre Forschung ergab, dass typische Büro- und Heimumgebungen parasitäre elektromagnetische (EM) Wellen aufweisen, denen Menschen ständig ausgesetzt sind, beispielsweise von einem laufenden Laptop. Der neuartige Empfänger des Teams fängt die EM-Wellen aus der Umgebung ab, und durch einen Prozess, der als körpergekoppelte Energieversorgung bezeichnet wird, kann der menschliche Körper diese Energie unabhängig von ihrer Position im Körper für die Stromversorgung der tragbaren Geräte nutzen.
Wegbereiter für kleinere, batterielose Wearables
Zu den Vorteilen der Methode seines Teams sagte Assoc-Professor Yoo: „Batterien gehören zu den teuersten Komponenten in tragbaren Geräten und verleihen dem Design mehr Volumen. Unser einzigartiges System hat das Potenzial, Batterien überflüssig zu machen, wodurch Hersteller die Geräte miniaturisieren und gleichzeitig die Produktionskosten erheblich senken können. Noch aufregender ist, dass unsere Entwicklung ohne die Einschränkungen von Batterien die nächste Generation von tragbaren Anwendungen wie EKG-Patches, Gaming-Zubehör und Ferndiagnose ermöglichen kann.“
Das NUS-Team wird die Stromversorgungseffizienz seines Sender-/Empfängersystems weiter verbessern und hofft, dass in Zukunft jedes beliebige stromübertragende Gerät, sei es das Mobiltelefon oder die Smartwatch eines Benutzers, den Netzwerkstrombedarf aller anderen Wearables decken kann am Körper und ermöglicht so eine längere austauschbare Akkus Lebenszeit.