Mengurangi Kebocoran Panas Meningkatkan Perangkat Kesehatan yang Dapat Dipakai

Insinyur North Carolina State University terus meningkatkan efisiensi perangkat fleksibel yang dikenakan di pergelangan tangan yang mengambil energi panas dari tubuh manusia untuk memantau kesehatan.

Para peneliti melaporkan peningkatan signifikan dalam mencegah kebocoran panas pada alat pemanen panas tubuh fleksibel yang pertama kali dilaporkan pada tahun 2017 dan diperbarui pada tahun 2020. Pemanen menggunakan energi panas dari tubuh manusia untuk memberi daya pada teknologi yang dapat dikenakan — pikirkan jam tangan pintar yang mengukur detak jantung, darah oksigen, glukosa, dan parameter kesehatan lainnya — yang tidak perlu diisi ulang baterainya. Teknologi ini bergantung pada prinsip yang sama yang mengatur pemanen termoelektrik kaku yang mengubah panas menjadi energi listrik.

Pemanen fleksibel yang sesuai dengan tubuh manusia sangat diinginkan untuk digunakan dengan teknologi yang dapat dikenakan. Mehmet Ozturk, seorang profesor teknik listrik dan komputer NC State, menyebutkan kontak kulit yang unggul dengan perangkat fleksibel, serta pertimbangan ergonomis dan kenyamanan bagi pemakai perangkat, sebagai alasan utama di balik pembuatan generator termoelektrik fleksibel, atau TEG.

Namun, kinerja dan efisiensi pemanen fleksibel secara historis tertinggal jauh di belakang perangkat kaku, yang lebih unggul dalam kemampuannya mengubah panas tubuh menjadi energi yang dapat digunakan.

Bukti konsep TEG yang awalnya dilaporkan pada tahun 2017 menggunakan elemen semikonduktor yang dihubungkan secara elektrik secara seri menggunakan interkoneksi logam cair yang terbuat dari EGaIn — paduan galium dan indium yang tidak beracun. EGaIn menyediakan konduktivitas listrik dan daya regangan seperti logam. Seluruh perangkat tertanam dalam elastomer silikon yang dapat diregangkan.

Perangkat yang ditingkatkan yang dilaporkan pada tahun 2020 menggunakan arsitektur yang sama tetapi secara signifikan meningkatkan rekayasa termal dari versi sebelumnya, sambil meningkatkan kepadatan elemen semikonduktor yang bertanggung jawab untuk mengubah panas menjadi listrik. Salah satu peningkatannya adalah elastomer silikon konduktivitas termal tinggi — pada dasarnya sejenis karet — yang merangkum interkoneksi EGaIn.

Iterasi terbaru menambahkan serpihan aerogel ke elastomer silikon untuk mengurangi konduktivitas termal elastomer. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa inovasi ini mengurangi kebocoran panas melalui elastomer hingga setengahnya.

“Penambahan aerogel menghentikan panas agar tidak bocor di antara 'kaki' termoelektrik perangkat,'” kata Ozturk. “Semakin tinggi kebocoran panas, semakin rendah suhu yang berkembang di seluruh perangkat, yang berarti daya output yang lebih rendah.”

“Perangkat fleksibel yang dilaporkan dalam makalah ini berkinerja lebih baik daripada perangkat yang kami laporkan pada tahun 2017 dan terus mendekati kinerja perangkat kaku,” tambahnya.

Ozturk mengatakan bahwa salah satu kekuatan teknologi yang dipatenkan Negara NC adalah bahwa ia menggunakan elemen semikonduktor yang sama yang digunakan dalam perangkat kaku yang disempurnakan setelah beberapa dekade penelitian. Pendekatan ini juga memberikan peluang berbiaya rendah bagi produsen modul termoelektrik kaku yang ada untuk memasuki pasar termoelektrik fleksibel.

Dia menambahkan bahwa labnya akan terus fokus pada peningkatan efisiensi perangkat fleksibel ini.