O vazamento de calor reduzido melhora o dispositivo de saúde vestível

Os engenheiros da North Carolina State University continuam a melhorar a eficiência de um dispositivo flexível usado no pulso que coleta energia térmica do corpo humano para monitorar a saúde.

Os pesquisadores relatam melhorias significativas na prevenção de vazamento de calor no coletor de calor corporal flexível que eles relataram pela primeira vez em 2017 e atualizados em 2020. Os coletores usam energia térmica do corpo humano para alimentar tecnologias vestíveis – pense em relógios inteligentes que medem sua frequência cardíaca, sangue oxigênio, glicose e outros parâmetros de saúde – que nunca precisam ter suas baterias recarregadas. A tecnologia se baseia nos mesmos princípios que regem as colheitadeiras termoelétricas rígidas que convertem calor em energia elétrica.

Colheitadeiras flexíveis que se adaptam ao corpo humano são altamente desejadas para uso com tecnologias vestíveis. Mehmet Ozturk, professor de engenharia elétrica e de computação da NC State, mencionou o contato superior da pele com dispositivos flexíveis, bem como as considerações ergonômicas e de conforto para o usuário do dispositivo, como as principais razões por trás da construção de geradores termoelétricos flexíveis, ou TEGs.

O desempenho e a eficiência das colheitadeiras flexíveis, no entanto, historicamente ficam bem atrás dos dispositivos rígidos, que têm sido superiores em sua capacidade de converter o calor do corpo em energia utilizável.

O TEG de prova de conceito relatado originalmente em 2017 empregou elementos semicondutores que foram conectados eletricamente em série usando interconexões de metal líquido feitas de EGaIn – uma liga não tóxica de gálio e índio. O EGaIn forneceu condutividade elétrica semelhante a um metal e elasticidade. Todo o dispositivo foi incorporado em um elastômero de silicone elástico.

O dispositivo atualizado relatado em 2020 empregou a mesma arquitetura, mas melhorou significativamente a engenharia térmica da versão anterior, enquanto aumentava a densidade dos elementos semicondutores responsáveis ​​​​pela conversão de calor em eletricidade. Uma das melhorias foi um elastômero de silicone de alta condutividade térmica – essencialmente um tipo de borracha – que encapsulava as interconexões EGaIn.

A mais nova iteração adiciona flocos de aerogel ao elastômero de silicone para reduzir a condutividade térmica do elastômero. Resultados experimentais mostraram que esta inovação reduziu pela metade o vazamento de calor através do elastômero.

"A adição de aerogel impede que o calor vaze entre as 'pernas' termoelétricas do dispositivo", disse Ozturk. “Quanto maior o vazamento de calor, menor a temperatura que se desenvolve no dispositivo, o que se traduz em menor potência de saída.”

“O dispositivo flexível relatado neste artigo está executando uma ordem de magnitude melhor do que o dispositivo relatado em 2017 e continua se aproximando do desempenho dos dispositivos rígidos”, acrescentou.

Ozturk disse que um dos pontos fortes da tecnologia patenteada pela NC State é que ela emprega os mesmos elementos semicondutores usados ​​em dispositivos rígidos aperfeiçoados após décadas de pesquisa. A abordagem também oferece uma oportunidade de baixo custo para os fabricantes de módulos termoelétricos rígidos existentes entrarem no mercado termoelétrico flexível.

Ele acrescentou que seu laboratório continuará se concentrando em melhorar a eficiência desses dispositivos flexíveis.