La raccolta di energia offre soluzioni innovative per superare i limiti imposti dalle batterie tradizionali nella progettazione dei dispositivi wearable, che richiedono una fonte energetica affidabile e continua per garantire funzionalità avanzate e autonomia prolungata. D'altra parte, le batterie convenzionali spesso risultano ingombranti e necessitano di ricariche frequenti, limitando la praticità e l’efficacia nell’uso quotidiano. La capacità di catturare e convertire energia dall’ambiente circostante o dal corpo umano in energia elettrica può rendere i wearable più autonomi, sostenibili e integrati nella vita di tutti i giorni.
L’energy harvesting consiste nel raccogliere piccole quantità di energia da fonti ambientali come luce solare, calore corporeo, movimento o onde radiofrequenza, trasformandola in energia elettrica utilizzabile che può alimentare direttamente i dispositivi o essere ulteriormente immagazzinata per un uso successivo. Nel contesto dei wearable, la riduzione o l’eliminazione della dipendenza dalle batterie tradizionali consente una maggiore continuità operativa e diminuisce la necessità di interventi di ricarica, migliorando l’esperienza dell’utente e ampliando le possibilità applicative.
Fonti di energia e tecnologie emergenti
Tra le principali fonti di energia sfruttate nei dispositivi wearable, l’energia cinetica ricopre un ruolo di primo piano. Il movimento del corpo umano genera energia meccanica che può essere convertita in energia elettrica tramite dispositivi piezoelettrici o triboelettrici. Recenti innovazioni hanno portato allo sviluppo di energy harvester piezoelettrici tridimensionali e altamente flessibili, capaci di catturare energia dai movimenti articolari o dall’elasticità della pelle senza compromettere il comfort o la mobilità. L’utilizzo di materiali ad alta efficienza, come il titanate di zirconio e piombo (PZT), ha permesso di superare i limiti di fragilità e bassa efficienza dei precedenti dispositivi, per una raccolta energetica più consistente e affidabile. La tecnologia dei nanogeneratori triboelettrici (TENG) rappresenta un altro approccio innovativo per lo stoccaggio di energia nei sistemi wearable. I TENG sfruttano l’energia meccanica derivante da vibrazioni, movimenti irregolari e persino onde sonore, convertendola in energia elettrica. La sfida principale consiste nel rendere questi dispositivi flessibili, elastici e confortevoli da indossare. Soluzioni creative come l’applicazione di tecniche di taglio kirigami su materiali non elasticizzati, hanno permesso di ottenere nanogeneratori altamente estensibili e traspiranti, perfetti per l’uso su pelle o abbigliamento. I wearable alimentati da TENG possono estendere di molto il tempo di standby dei dispositivi elettronici e, in prospettiva, raggiungere l’autosufficienza energetica. L’energia solare continua ad essere una fonte preziosa per i wearable, soprattutto grazie allo sviluppo di celle fotovoltaiche organiche ultraflessibili e sottilissime, moduli solari integrati nei tessuti o nelle superfici dei dispositivi che riescono a catturare efficacemente la luce anche in condizioni di illuminazione indoor, garantendo una ricarica continua e discreta. L’integrazione con sistemi di accumulo energetico basati su batterie flessibili agli ioni di zinco permette di realizzare dispositivi completamente autonomi, capaci di funzionare senza interruzioni e di adattarsi a superfici curve o mobili del corpo umano.
Implicazioni per la progettazione e l’usabilità
L’adozione dell’energy harvesting impone un ripensamento della progettazione dei dispositivi wearable, con particolare attenzione all’ottimizzazione del consumo energetico e alla gestione intelligente dell’energia raccolta. Sistemi di controllo avanzati regolano il bilanciamento tra energia generata, immagazzinata e consumata, attivando modalità di risparmio energetico e adattando il funzionamento dei sensori e dei moduli di comunicazione in base alla disponibilità di energia, il che garantisce un funzionamento più efficiente e prolungato, al fine di ridurre la necessità di interventi manuali per la ricarica. La miniaturizzazione e la flessibilità dei componenti energetici consentono di integrare i sistemi di raccolta energetica direttamente nei materiali indossati come tessuti intelligenti o accessori, senza compromettere il comfort o l’estetica. L’ergonomia e la discrezione diventano elementi fondamentali per favorire l’adozione di massa e l’uso quotidiano. Inoltre, la capacità di alimentare dispositivi con consumi ultra-bassi apre nuove applicazioni in ambito medico, sportivo e di sicurezza, dove il monitoraggio continuo e affidabile è essenziale.
Cosa ci riserva il futuro?
Nonostante i progressi, alcune sfide rimangono aperte per rendere la raccolta di energia una soluzione standard nei sistemi wearable. La quantità di energia generata dalle fonti ambientali o dal corpo umano, spesso limitata e intermittente, richiede sistemi di accumulo e gestione altamente efficienti. La durabilità e la resistenza dei materiali utilizzati devono garantire performance costanti nel tempo, anche in condizioni di uso intenso e variabile. La compatibilità con le diverse tipologie di dispositivi e la standardizzazione delle interfacce energetiche rappresentano ulteriori aspetti da sviluppare per favorire l’adozione su larga scala. Le prospettive future puntano verso l’integrazione di più fonti di energia in un unico sistema ibrido, capace di massimizzare la raccolta energetica in ogni condizione ambientale e di utilizzo. L’adozione di materiali innovativi e nanostrutturati, insieme a tecnologie di Intelligenza Artificiale per la gestione predittiva dell’energia, potrà migliorare ulteriormente l’efficienza e l’autonomia dei wearable. L’energy harvesting contribuirà a rendere i dispositivi indossabili più sostenibili, riducendo l’impatto ambientale legato allo smaltimento delle batterie e favorendo un uso più responsabile delle risorse energetiche.
Conclusioni
L’energy harvesting rappresenta una componente strategica nella progettazione dei dispositivi wearable, capace di superare i limiti delle batterie tradizionali e di abilitare una nuova generazione di wearable autonomi e sostenibili. La capacità di convertire energia da fonti naturali o dal movimento umano in energia elettrica apre la strada a dispositivi più leggeri, compatti e con una durata operativa estesa. Le innovazioni nelle tecnologie piezoelettriche, triboelettriche e fotovoltaiche, unite a sistemi di gestione energetica avanzati, stanno trasformando il panorama dei wearable, rendendoli strumenti sempre più integrati nella vita quotidiana. Il futuro dei dispositivi indossabili dipenderà in larga misura dalla capacità di sfruttare efficacemente la raccolta di energia, garantendo performance elevate, comfort e sostenibilità ambientale.
