Retenção de Calor Aprimorada Melhora Monitor de Saúde Vestível no Pulso

Engenheiros da Universidade Estadual da Carolina do Norte continuam a melhorar a eficiência de um dispositivo flexível usado no pulso que colhe energia de calor do corpo humano para monitorar saúde.

Os pesquisadores relatam melhorias significativas na prevenção de vazamento de calor no coletor flexível de calor corporal que relataram pela primeira vez em 2017 e atualizaram em 2020. Os coletores usam energia de calor do corpo humano para alimentar tecnologias vestíveis — pense em smartwatches que medem sua frequência cardíaca, oxigênio no sangue, glicose e outros parâmetros de saúde — que nunca precisam ter suas baterias recarregadas. A tecnologia baseia-se nos mesmos princípios que regem coletores termoelétricos rígidos que convertem calor em energia elétrica.

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

O desempenho e eficiência de coletores flexíveis, no entanto, historicamente ficam bem atrás de dispositivos rígidos, que têm sido superiores em sua capacidade de converter calor corporal em energia utilizável.

O TEG de prova de conceito originalmente relatado em 2017 empregava elementos semicondutores conectados eletricamente em série usando interconexões de metal líquido feitas de EGaIn — uma liga não tóxica de gálio e índio. EGaIn forneceu condutividade elétrica semelhante a metal e elasticidade. O dispositivo inteiro 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 por converter 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 o vazamento de calor através do elastômero pela metade.

"A adição de aerogel impede o calor de vazar entre as 'pernas' termoelétricas do dispositivo", disse Ozturk. "Quanto maior o vazamento de calor, menor a temperatura que se desenvolve através do dispositivo, o que se traduz em menor potência de saída."

"O dispositivo flexível relatado neste artigo está funcionando uma ordem de magnitude melhor que o dispositivo que relatamos em 2017 e continua a se aproximar do desempenho de dispositivos rígidos", ele acrescentou.

Ozturk disse que uma das forças 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 fornece uma oportunidade de baixo custo para fabricantes existentes de módulos termoelétricos rígidos entrarem no mercado termoelétrico flexível.

Ele adicionou que seu laboratório continuará focado em melhorar a eficiência desses dispositivos flexíveis.