گرمای بدن شما می تواند به نسل بعدی پوشیدنی ها نیرو دهد

در دهه گذشته، لوازم الکترونیکی پوشیدنی به بخشی از لباس‌های روزمره ما تبدیل شده‌اند، به ظاهر به اندازه هر کمربند، جفت کفش یا جفت جوراب مورد علاقه ضروری هستند. حلقه‌های هوشمند مانند ساعت‌های هوشمند، خواب و سایر موارد حیاتی سلامتی را ردیابی می‌کنند، در حالی که هدفون‌های بی‌سیم و عینک‌های هوشمند به‌عنوان چشم‌ها و گوش‌های دیجیتال برای دستیاران هوش مصنوعی جدید عمل می‌کنند.

بازار ابزارهای پوشیدنی نیز به سرعت در حال رشد است، با شرکت تجزیه و تحلیل بازار IDC، مجموع محموله های پوشیدنی در سه ماهه اول سال 2026 را فقط 146 میلیون دستگاه تخمین زده است، به ویژه رشد قوی در عینک های هوشمند و حلقه های هوشمند با سرعت بیشتری نسبت به بازار کلی رشد می کند.

بنابراین ابزارهای پوشیدنی قطعا محبوب هستند، اگرچه آنها بدون ناامیدی نیستند. مشکل ابزارهای پوشیدنی این است که آنها باید به طور مداوم پوشیده شوند تا ابزاری را که می خواهید در اختیار شما قرار دهند، اما در نهایت مجبورید استفاده از آنها را متوقف کنید.

باتری‌ها تمام می‌شوند و دستگاه باید روی یک پایه شارژ اختصاصی قرار گیرد یا به‌خوبی به کابل USB-C وصل شود. این ناراحتی ممکن است فقط برای یک ساعت یا بیشتر طول بکشد، اما اگر می‌خواهید یک تصویر تمام روز از سلامتی خود به دست آورید یا امیدوارید خواب خود را ردیابی کنید، آن ساعت ناگهان در داده‌های شما شکاف ایجاد می‌کند.

این می تواند هنگام شمارش مراحل آزاردهنده باشد، اما اگر سعی می کنید به طور مداوم داده های بهداشتی مهم را برای مدیریت یک بیماری مزمن نظارت کنید یا سایر داده های مهم را پیگیری کنید، این شکاف می تواند پیامد باشد.

خوشبختانه، ممکن است پاسخی در افق وجود داشته باشد که در نهایت ابزارهای پوشیدنی شما را از وابستگی آنها به پریز دیواری یا پورت USB لپ‌تاپ رها کند تا عملیاتی بماند.

ژنراتورهای ترموالکتریک یا TEG می توانند از اختلاف دمای بدن شما و محیط اطراف برای تولید برق استفاده کنند. در حالی که تقریبا مطمئنا نمی‌توانند ساعت هوشمند یا عینک هوشمند شما را تامین کنند، به لطف مصرف انرژی سنگین‌تر نمایشگرهای پوشیدنی، وضعیت با جدیدترین پوشیدنی‌های بدون صفحه نمایش بسیار متفاوت است.

به جای شارژ سریع یک باتری مرده، یک ابزار پوشیدنی می‌تواند به طور مداوم مقدار کمی انرژی را از پوشنده خود در طول روز جذب کند و سرعت تخلیه انرژی از باتری کوچک را کاهش دهد. برای برخی از پوشیدنی‌ها با حسگرهای کم مصرف، یک TEG می‌تواند تقریبا تمام انرژی مورد نیاز آنها را تأمین کند، اما نیاز به شارژ برای هفته‌ها یا بیشتر را از بین می‌برد.

با توجه به اندازه کوچکتر آنها، هر جزء داخل یک پوشیدنی باید بر سر حجم بسیار محدود موجود مبارزه کند. باتری‌ها بزرگ هستند و در حالی که این می‌تواند به ابزار پوشیدنی اجازه دهد بدون شارژ مجدد کار کند، تعداد و نوع سنسورهایی که یک پوشیدنی می‌تواند داشته باشد را کاهش می‌دهد.

اندرو اونیل، متخصص انطباق مقررات در اتحادیه اروپا متخصص در باتری، به Gizmodo می گوید: «ظرفیت باتری یکی از محدودیت های اساسی در طراحی پوشیدنی است. باتری بزرگتر به طور کلی به معنای زمان کار طولانی‌تر است، اما فضای بیشتری را اشغال می‌کند و وزن اضافه می‌کند. در حلقه، بند یا سایر پوشیدنی‌های کوچک، این می‌تواند به معنای محصول ضخیم‌تر یا فضای کمتری برای حسگرها و وسایل الکترونیکی باشد. در نقطه مقابل، کوچک کردن باتری بسیار کوچک می‌تواند راحتی و ظاهر را بهبود بخشد، اما کاربر ممکن است مجبور شود دستگاه را آنقدر شارژ کند که ناخوشایند شود.

این سازش به خصوص ناامید کننده است زیرا برخی از دستگاه هایی که بیشترین بهره را از فرم باریک تر می برند، هر چه مدت طولانی تری استفاده شوند مفیدتر هستند.

برای مثال، ردیاب‌های خواب دقیقا مفید هستند زیرا می‌توانید فراموش کنید که آنها را پوشیده‌اید، بنابراین خواب شما را مختل نمی‌کنند. اما هر میلی‌متر مکعب فضای بازیابی شده از یک باتری ضخیم و نسبتا سنگین، این احتمال را افزایش می‌دهد که ردیاب خواب شب را پشت سر نگذارد و تنها بخشی از خواب شبانه شما را برای تجزیه و تحلیل در دسترس می‌گذارد. برداشت انرژی این محاسبات را تغییر می دهد زیرا باتری دیگر مجبور نیست تمام بار انرژی سنسورهای دستگاه را بین چرخه های تغییر تحمل کند.

فرانسیسکو مولینا لوپز، دانشیار بخش مهندسی مواد در MU Leuven در بلژیک می‌گوید: «در نهایت، آنها فناوری‌های رقیب نیستند. باتری‌ها می‌توانند انرژی بیشتری ذخیره کنند و انرژی بسیار بیشتری نسبت به گرمای بدن به خودی خود فراهم کنند، اما ایده این است که آنها باید مکمل یکدیگر باشند.

برخی از اجزای یک ابزار پوشیدنی، مانند آنتن بی‌سیم، بسیار بیشتر از توانی که TEG می‌تواند مستقیما تأمین کند، مصرف می‌کنند، بنابراین باید برای این انرژی به باتری تکیه کنید. اما هنگامی که قطعات در حالت خواب هستند یا در حالت کم مصرف هستند، سپس از گرمای بدن برای شارژ مجدد باتری استفاده می کنید. مولینا لوپز می‌گوید: «باتری مانند یک بافر انرژی عمل می‌کند که دائما در حال پر شدن است نه ذخیره‌سازی یکبار مصرف انرژی».

TEG فقط به این دلیل که بدن انسان گرم است برق تولید نمی کند. بلکه به تفاوت دما بین پوست و هوای اطراف شما از طریق اثر Seebeck متکی است، پدیده‌ای که در آن یک گرادیان دما در میان مواد ترموالکتریک خاصی ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند.

قسمت گرم این فرآیند از جایی شروع می شود که پوشیدنی شما با پوست شما در تماس است، مانند پشت یک بند تناسب اندام در اطراف مچ دست، در حالی که صورت رو به بیرون پوشیدنی به عنوان سمت سرد عمل می کند. همانطور که گرما توسط ابزار پوشیدنی از پوست شما جذب می شود، از روی مواد ترموالکتریک به سمت سردتر دستگاه عبور می کند که کسری از آن انتقال گرما را به الکتریسیته منحرف می کند.

هرچه اختلاف دما بیشتر باشد و همچنین سطح تماس پوشیدنی با پوست چقدر گرمای بدن را به پوشیدنی منتقل می کند، این اثر ترموالکتریک مفیدتر می شود.

مولینا-لوپز توضیح می‌دهد: «هرچه سطح یک پوشیدنی در برابر پوست بیشتر باشد، قدرت بیشتری می‌توانید [از اثر Seebeck] دریافت کنید.»

تحقیقات نشان داده است که این اعداد دیگر صرفا علمی نیستند و می توانند منبعی برای شارژ مداوم یا حتی برق مستقیم برای برخی از سنسورهای کم انرژی باشند.

اونیل می گوید: «سیستم ترموالکتریک به طور مداوم بخشی از انرژی مصرفی پوشیدنی را جایگزین می کند. در حال حاضر سیستم‌های تحقیقاتی وجود دارد که خروجی‌هایی را در ده‌ها یا صدها میکرووات در شرایط پوشیدنی نشان می‌دهند، و کار آزمایشگاهی اخیر بسیار فراتر رفته است. این کافی است تا گرمای بدن را برای دستگاه‌های طراحی‌شده پیرامون وسایل الکترونیکی بسیار کم مصرف جالب کند، اگرچه جایگزینی جهانی برای شارژ معمولی نیست.»

برای سازندگان پوشیدنی‌ها، TEG‌ها راهی را ارائه می‌دهند که به طور موثر مقداری توان اضافی را برای دستگاه‌هایشان فشرده کنند، و برخی از انعطاف‌پذیری‌های طراحی و ویژگی‌ها را باز می‌کنند که در غیر این صورت ممکن است به دلیل نیاز به عوامل فرم نازک و سبک محدود شود.

اونیل می‌گوید: «یک سازنده می‌تواند از باتری کوچک‌تری استفاده کند، زمان بین شارژهای معمولی را به طور چشمگیری افزایش دهد، یا محصولی بسازد که بتواند برای دوره‌های بسیار طولانی با دخالت کمی کاربر کار کند.»

این امر در خارج از بازار گجت‌های معمولی مصرف‌کننده اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، به‌ویژه زمانی که برای مانیتورهای تخصصی سلامت یا ایمنی محل کار اعمال شود.

اونیل می افزاید: «نمونه بارز نظارت پزشکی مستمر است. دستگاه‌های ایمنی شغلی، نظارت از راه دور، و سنجش فیزیولوژیکی طولانی مدت نیز می‌توانند پیچیدگی مهندسی اضافی را بسیار راحت‌تر از یک ابزار مصرفی معمولی توجیه کنند.

متأسفانه، قوانین ترمودینامیک همان چیزی است که هستند، و پوشیدنی‌های مجهز به TEG به طور مستقیم به حفره‌های انرژی آزاد که دور مچ دست شما پیچیده شده است، تبدیل نمی‌شوند، حداقل برای آینده قابل پیش‌بینی.

یک محدودیت اساسی برای میزان انرژی که برداشت گرمای بدن می تواند فراهم کند وجود دارد، زیرا نیاز به تفاوت دما بین بدن و محیط آن دارد. دمای بدن در طول روز در نوسان است، اما دمای مرکزی بدن به طور کلی در 98.6 درجه فارنهایت قرار دارد و دمای پوست بین 90 تا 94 درجه فارنهایت است.

اگر بخواهید در گرمای 90 درجه دوید، تفاوت دما عملا ناپدید می شود و قابلیت تولید برق TEG را نیز به همراه خواهد داشت. یک مطالعه در سال 2024 نشان داد که نمونه اولیه TEG تولید توان موثر را در حدود 86 درجه فارنهایت متوقف کرد، که یک روز تابستانی خوب است که در بسیاری از مکان‌ها خیلی گرم نیست.

به همین ترتیب، تنها محدوده نسبتا باریکی از دماها در هر جهت وجود دارد که بدن ما می تواند با خیال راحت آن را تحمل کند. به طور کلی، هر چیزی کمتر از 59 درجه فارنهایت برای پوست در معرض درد به طور فزاینده ای احساس می شود، با حد بالایی نزدیک تر حدود 113 درجه فارنهایت، که در آن پوست در معرض به طور دردناکی گرم می شود.

علاوه بر این، تولید برق TEG ها در محدوده چند صد میکرووات قرار دارد، در حالی که حتی فرستنده های RF کم مصرف که توسط ساعت های هوشمند و باندهای تناسب اندام برای به اشتراک گذاری داده های حسگر با تلفن هوشمند استفاده می شوند، می توانند از میلی وات برق استفاده کنند (1 میلی وات برابر با 1000 میکرووات). برنامه های فعالی که روی یک دستگاه اجرا می شوند می توانند صدها میلی وات بیشتر از آن مصرف کنند، بنابراین می توانید مشکل ریاضی را در اینجا ببینید. در زمینه آخرین اپل واچ، سهم انرژی TEG ناچیز است، اما این همیشه در مورد سایر پوشیدنی ها صدق نمی کند.

در حالی که مصرف برق پوشیدنی مدرن ممکن است برای یک TEG در مقیاس کوچک بسیار عالی به نظر برسد، باید در نظر داشته باشید که پوشیدنی‌ها با در نظر گرفتن TEG طراحی نشده‌اند و اینجاست که محاسبات انرژی برای بسیاری از محبوب‌ترین دستگاه‌های پوشیدنی امروزی تغییر می‌کند.

فران ریورتر، دانشیار و محقق در برداشت انرژی در دانشگاه پلی‌تکنیک اسپای‌نسل، می‌گوید: «اگرچه این قدرت محدود است، اما واقعا برای دستگاه‌های کم مصرف، مانند ساعت هوشمند کاغذ الکترونیکی، حسگرهای کم مصرف، ارتباطات متناوب با انرژی کم، و حداقل محاسبات روی دستگاه کافی است».

سنسورها و اجزای کوچک‌تری که امروزه بیشتر پوشیدنی‌ها را تشکیل می‌دهند، در واقع آنقدر انرژی مصرف نمی‌کنند، به‌خصوص اگر حسگرهای غیرفعال هستند که همیشه کار نمی‌کنند یا می‌توانند در حالت بسیار کم مصرف قرار بگیرند، فقط به‌طور دوره‌ای بیدار می‌شوند تا قبل از خواب دوباره مطالعه کنند. در این حالت، هر جزء می‌تواند به یک TEG متصل شود که می‌تواند انرژی کافی برای جمع‌آوری داده‌های خود را بدون نیاز به کشیدن باتری برای آن فراهم کند.

یا، زمان و فاصله این انرژی مصرفی روی باتری را می توان به طور هوشمندانه برنامه ریزی کرد تا به TEG اجازه دهد تا قبل از خواندن سنسور بعدی، باتری پوشیدنی را تا حدودی شارژ کند.

اونیل می‌گوید: «اگر جزیی‌ترین اطلاعات روی یک تلفن (به‌جای نمایشگر معمولی) مشاهده شود، این ابزار پوشیدنی می‌تواند انرژی خود را تقریبا به طور کامل به سنجش، پردازش محلی و ارتباطات دوره‌ای اختصاص دهد. این به طور چشمگیری بودجه انرژی مورد نیاز را کاهش می‌دهد.»

اونیل می افزاید: «آنچه مهم است این است که در یک دوره به اندازه کافی طولانی، کل انرژی برداشت شده به کل انرژی مصرف شده نزدیک می شود یا از آن فراتر می رود.

منطقه دیگری که ممکن است TEG ها مقداری زمین را تشکیل دهند، گسترش سطحی است که گرما را از پوست شما جذب می کند، که می تواند به طور چشمگیری توان خروجی TEG را بهبود بخشد.

اونیل می‌گوید: «یک نوار نسبت به حلقه، ناحیه تماس پوستی بیشتری را ایجاد می‌کند، که برای تولید ترموالکتریک مفید است». برای ردیاب‌های تناسب اندام و سایر پوشیدنی‌های پوشیدنی مانند ساعت‌های هوشمند، این بند اساسا املاک و مستغلات رایگان است که فقط برای بازتاب سبک افراد استفاده می‌شود. دلیلی وجود ندارد که نتوانید اجزای کاربردی را در آنجا بسته بندی کنید، به خصوص که لوازم الکترونیکی انعطاف پذیر همچنان در حال پیشرفت هستند.

اونیل می افزاید: «من می توانم یک نوار نسبتا باریک را تصور کنم که تقریبا کل ساختار دارای عملکرد الکتریکی یا حرارتی باشد. سطح داخلی می تواند حاوی عناصر ترموالکتریک انعطاف پذیر در تماس با پوست باشد. سطح رو به بیرون می تواند به گونه ای طراحی شود که گرما را به طور موثر دفع کند و به طور موثر به عنوان سمت سرد سیستم ترموالکتریک عمل کند.

همیشه، بزرگترین مانع برای TEG ها برای پذیرش گسترده، هزینه اولیه است.

اونیل می گوید: «در ابتدا، من انتظار دارم که [TEGs] هم هزینه و هم پیچیدگی مهندسی را افزایش دهند. "یک سیستم ترموالکتریک مواد، رابط های حرارتی و الکترونیک قدرت تخصصی را اضافه می کند."

همچنین باید مطمئن شوید که فناوری جمع‌آوری گرمای بدن در مچ‌بند یا بازوبند، تجربه کاربری دستگاه را خراب نمی‌کند، یا در غیر این صورت واقعا نکته چیست؟

مولینا لوپز خاطرنشان می کند: «یکی از چالش های طراحی این است که دستگاه را به درستی به پوست خود متصل کنید و همچنان دستگاه را برای پوشیدن راحت کنید. "شما نمی خواهید این حرکت شما را مختل کند، شما نمی خواهید که شما را عرق کند."

سپس، چالش طراحی خنک کردن طرف دستگاه در تماس با هوا تا دمای محیط به منظور ایجاد اختلاف دمای مورد نیاز برای TEG وجود دارد.

Reverter می‌گوید: «برای اینکه سمت سرد TEG به دمای محیط نزدیک شود، نوعی هیت سینک باید در آنجا جفت شود. "هرچه مساحت هیت سینک بالاتر باشد، از نظر برداشت انرژی بهتر است، اما طراحی می تواند حجیم تر شود. باید ایده های هوشمند و بدیع برای گنجاندن هیت سینک موثر در طراحی بدون افزایش ابعاد کلی ارائه شود."

برای این منظور، بسیاری از سازندگان پوشیدنی احتمالا در حال حاضر منفعت اقتصادی از ترکیب TEG در محصولات خود نمی بینند، اما اگر بتوان برداشت انرژی را در چیزهایی که تولیدکنندگان به هر حال استفاده می کنند، مانند مچ بند یا محفظه حلقه، ادغام کرد، وضعیت اقتصادی بهبود می یابد.

احتمال دیگر، مسیری است که اکثر پیشرفت‌های فناوری در مسیر بازار مصرف طی می‌کنند: از کاربران شرکتی و صنعتی شروع کنید که بهتر می‌توانند قیمت‌های اولیه بالاتر را جذب کنند.

هنگامی که هزینه ها کاهش می یابد و TEG ها بهتر در اکوسیستم پوشیدنی ادغام می شوند (و همچنین توانایی بیشتری برای از بین بردن گرمایی که بدن ما از قبل دور می کند)، ممکن است زمانی فرا برسد که تغییر روزانه یا حتی هفتگی به گذشته تبدیل شود.