Akut on tehtävä joustaviksi puettavassa teknologiassa
Puettava teknologia on kaikkialla – älyvaatteista rannekkeisiin ja sormuksiin. Lääketieteen alalla sitä käytetään yhä enemmän potilaiden etäseurantaan ja -hoitoon. Mutta millä teknologialla nämä laitteet saavat virtansa? National Science Review -julkaisun tutkimusartikkelin mukaan ”puettavan elektroniikan kysynnän kasvaessa myös tarve puettaville virtalähteille kasvaa”.
Akut muuttuvat joustaviksi
Perinteisesti puettava teknologia on käyttänyt virtalähteenään akkuja, joista monet ovat litiumioniakkuja. Yksi tutkimuksen suunta on ollut joustavat akut. Teknologiakonsultti IDTechExin raportin mukaan joustavien akkujen kehitys alkoi jo 1990-luvulla, mutta vasta puettavan teknologian yleistyessä vuodesta 2014 alkaen niille löytyi todellinen käyttötarkoitus. Aluksi teknologia osoittautui kuitenkin riittämättömäksi, sillä ”varhaiset joustavat akut olivat usein ohutkalvomaisia, painettuja, usein ei-ladattavia ja niiden kapasiteetti sekä teho olivat pieniä”.
Viime vuosina joustavien akkujen sovellusalueet ovat selkiytyneet. Eräs tärkeimmistä käyttökohteista on älykkäät etiketit, jotka hyödyntävät ohutkalvoakkuja esimerkiksi tuotteiden lämpötilan seuraamiseen kuljetuksen tai varastoinnin aikana. Lisäksi kehitteillä on joustavia keraamisia ja polymeerielektrolyyttejä, joiden sovelluksia suunnataan kuluttajien puettavaan teknologiaan. Nämä kehitykset ovat kuitenkin vasta alkuvaiheessa.
Vaikka joustavien akkujen kapasiteetti ja teho ovat parantuneet, tasainen ja tehokas energiantuotanto on edelleen yksi puettavan teknologian keskeisistä vaatimuksista. Ladattavat akut ovat yksi lupaava suunta, erityisesti koska yhä pienemmät puettavat laitteet vaativat entistä kompaktimpia akkuja, joiden teho on usein suurempia malleja matalampi. Ladattavista akkutyypeistä litium-polymeeriakut (LiPo) ovat lupaavia, sillä niiden muotoilu voidaan sovittaa pienikokoisiin puettaviin laitteisiin.
Standardit tasoittavat tietä
IEC (International Electrotechnical Commission) julkaisee lukuisia standardeja, jotka määrittävät näiden teknologioiden turvallisuuden ja tehokkuuden. Esimerkiksi IEC:n tekninen komitea 21 (TC 21) julkaisee standardia IEC 63370, joka varmistaa litiumioniakkujen ja niiden latausjärjestelmien turvallisuuden. Lisäksi IECEE, yksi IEC:n neljästä vaatimustenmukaisuuden arviointijärjestelmästä, testaa akkujen turvallisuutta, suorituskykyä, energiatehokkuutta ja sähkömagneettista yhteensopivuutta.
Joustavaa elektroniikkaa standardoi osittain IEC TC 119, joka keskittyy uusiin joustaviin materiaaleihin ja painoteknologioihin puettavan elektroniikan tuotannossa. Komitean puheenjohtaja Andreas Willert kertoo:
”Olemme julkaisseet useita standardeja materiaaleista, kuten venyvistä alustoista ja johtavista musteista, mutta myös painotekniikoista, esimerkiksi mustesuihkutulostuksesta. Lisäksi määritämme painettujen kuvioiden laadun ja mekaanisten sekä ympäristötekijöiden testausmenetelmiä, jotka voivat koskea myös joustavia akkuja ja OLED-komponentteja puettaviin laitteisiin.”
Puettavan teknologian antureita standardoi mm. IEC:n tekninen komitea TC 47, joka kehittää esimerkiksi standardia IEC 62951-2 joustaville ja venyville puolijohdelaitteille. Lisäksi IEC-komitea TC 124 keskittyy erityisesti puettavan teknologian standardointiin, ja monet TC 119:n asiantuntijat tekevät yhteistyötä sen kanssa.
Willert myöntää, että standardoinnilla on edessään haasteita: ”Puettavan teknologian nopeat muutokset ja tuotteiden moninaisuus vaikeuttavat standardien laatimista. Standardin kehittäminen voi kestää kauemmin kuin tietyn tyyppisen laitteen elinkaari. Siksi keskitymme perusasioihin, kuten musteisiin, painotekniikoihin ja painettuihin kuvioihin, joita voidaan soveltaa monin eri tavoin niin puettavan elektroniikan kuin muidenkin markkinoiden tarpeisiin.”
Energiankeruu herättää kiinnostusta, mutta…
Viime vuosina paljon innostusta on herättänyt energiankeruu puettaville laitteille. Kehon liikkeestä, lämmöstä tai hiestä energiaa hyödyntävät itsevoimaiset laitteet ovat herättäneet tieteellisen yhteisön mielenkiinnon. Edut ovat ilmeiset: ei tarvetta akuille ja ihmisen kehon käyttäminen energiantuottajana vaikuttaa ympäristöystävälliseltä ratkaisulta.
Mutta haasteet ovat merkittäviä. National Science Review -lehden mukaan tutkijat kamppailevat täyttääkseen nykyisten puettavien laitteiden energiatarpeet energiankeruumenetelmillä, jotka eivät ainoastaan tuota matalaa energiamäärää, vaan ovat myös usein katkonaisia ja tehottomia energian muuntamisessa kehon liikkeestä tai hiestä sähköksi. Yleisiä energiankeruumenetelmiä ovat pietsosähköinen, tribosähköinen, termosähköinen ja sähköbiokatalyyttinen energianmuunnos.
Pietsosähköinen tärinänkeruu on puettaville laitteille sopivin menetelmä, sillä se pystyy tuottamaan tarvittavan määrän energiaa pienikokoisille laitteille. Pietsosähköisyys tarkoittaa tiettyjen kiteiden, keraamisten materiaalien ja biologisten aineiden, kuten luun ja proteiinien, tuottamaa sähkövarausta, kun niihin kohdistetaan mekaanista rasitusta. IEC TC 49 kehittää standardeja pietsosähköisille, dielektrisille ja sähköstaattisille laitteille, ja IEC 62830-1 -sarja sisältää menetelmiä pietsosähköisten tärinänkeruulaitteiden suorituskyvyn arvioimiseksi.
National Science Review varoittaa kuitenkin, että monilla energiankeruulaitteilla on merkittäviä rajoituksia:
”Monilla energiankeruulaitteilla on rajoituksia kustannusten, skaalautuvuuden, biologisen yhteensopivuuden, pestävyyden ja pitkäaikaisen kestävyyden osalta, mikä estää niiden kaupallisen käytön puettavassa teknologiassa.”
Tulevaisuudessa odotetaan kuitenkin läpimurtoja. Tutkijoiden mukaan monialainen yhteistyö sekä standardointi voivat olla ratkaisuja:
”Energiankeruu- ja varastointilaitteiden suorituskyvyn oikeudenmukaisen arvioinnin ja vertailun mahdollistamiseksi pitäisi kehittää yhtenäiset testausmenetelmät, suunnitteluohjeet, standardit ja raportointikäytännöt joustavuudelle, venyvyydelle ja pestävyydelle – vastaavasti kuin aurinkokennojen sertifioinnissa.”
Alkuperäisen artikkelin löydät oheisesta linkistä: Finding the energy for wearable tech | IEC e-tech
Aiheen standardointi Suomessa
Suomessa aiheen standardointia hoitaa SESKOn komiteat SK 21 Akut ja energiavarastot ja SK 91 Elektroniikan valmistustekniikat. Lisätietoja aiheesta saat Juha Vesalta (SK21) ja Arto Sirviöltä (SK91).
Lisää suosikiksi