Bei tragbaren Geräten ist die Sicherstellung einer angemessenen Stromversorgung eine ziemliche Herausforderung, da in der Regel eine Batterie mit ausreichender Kapazität erforderlich ist, die das Gewicht und die Größe des Geräts erhöht und die Stromquelle in bestimmten Abständen aufgeladen werden muss.

Die Forschung im Bereich der alternativen Stromversorgung von tragbaren Geräten ist seit langem im Gange, u. a. wird versucht, aus der Körperwärme ausreichend Energie für Geräte mit geringerem Stromverbrauch zu gewinnen. Einer dieser Bereiche ist eine Technologie namens Power-over-Skin, die den Vorteil hat, dass sie tragbare Geräte über eine an den menschlichen Körper angepasste Batterie mit Strom versorgt, wobei der menschliche Körper selbst, genauer gesagt die Haut, das Medium für die Stromübertragung ist.

Da die Sensoren und elektronischen Komponenten immer ausgefeilter werden und fortschrittlichere Technologien und Streifenbreiten verwenden, kann ihr Energiebedarf sinken, so dass sie zunehmend von alternativen Energiequellen versorgt werden können. Dies könnte die Energie sein, die durch Handbewegungen oder Schritte erzeugt wird, aber es wird auch daran geforscht, tragbare Geräte mit Körperwärme zu versorgen, und auch andere Richtungen werden erforscht, wie diese frühere Studie zeigt.

Dank eines Forscherteams an der Carnegie Mellon University, das nach nicht-invasiven Möglichkeiten zur alternativen Stromversorgung von tragbaren Geräten gesucht hat, ist zu diesen Alternativen eine weitere hinzugekommen. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, dass sich diese Technologie von den oben genannten unterscheidet, da es einfach darum geht, eine klassische Batterie auf nicht-invasive, kapazitive Weise am menschlichen Körper zu befestigen und dann die erforderliche Energiemenge durch die Haut an den Empfänger des tragbaren Geräts zu liefern.

Dies erfordert das Tragen einer gürtelähnlichen Energiegewinnungsvorrichtung, die die Haut des menschlichen Körpers nutzt, um dem tragbaren Gerät die benötigte Energie über die Hautoberfläche zur Verfügung zu stellen (Power-over-Skin). Anstelle des Gürtels können natürlich auch andere Energieübertragungsvorrichtungen verwendet werden, die, wie in den obigen Beispielen gezeigt, sogar über die Kleidung mit der Haut in Kontakt sein können. Die Energieübertragung findet im 40-MHz-Frequenzbereich statt, und die daraus resultierende Leistung reicht aus, um eine breite Palette von Geräten zu betreiben. Der Studie zufolge wurde dieser Frequenzbereich gewählt, weil z. B. der Frequenzbereich um 6 GHz durch die Erzeugung von Wärme zu Gewebeschäden führen kann, während niedrigere Frequenzbereiche, wie z. B. unter 100 kHz, typischerweise eine spürbare Wirkung auf Nerven und Muskelgewebe haben, z. B. die Aktivierung von Muskeln und sogar die Taubheit von Gliedmaßen verursachen können.

Nach den aktuellen ICNIRP-Leitlinien 2020 beträgt die maximale Ganzkörperstromstärke 45 mA. Natürlich sind die Forscher nicht einmal in die Nähe dieses Wertes gekommen, sondern haben die Obergrenze auf 17 Milliampere festgelegt, die von einem speziellen Schaltkreis erzeugt werden, der den Hautwiderstand des menschlichen Körpers überwacht. Parallel dazu wird auch die maximale SAR pro Kilogramm des menschlichen Körpers festgelegt. Der SAR-Wert oder die spezifische Energieabsorptionsrate ist die Energiemenge, die ein menschlicher Körper ohne Schaden aufnehmen kann, und wird in W/kg angegeben. Nach den derzeitigen Leitlinien beträgt die zulässige durchschnittliche Ganzkörper-SAR 80 mW/kg in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 6 GHz, was zu einer maximalen Erhöhung der Körpertemperatur um 0,1 Grad Celsius führen kann. Dies bedeutet, dass die Ganzkörperexposition für eine durchschnittliche Frau mit einem Körpergewicht von 62 kg maximal 4,96 W betragen würde. Den Forschern zufolge kam keiner ihrer Sender auch nur annähernd an diesen Wert heran, wie unten dargestellt.

So haben die Forscher beispielsweise ein winziges Gerät hergestellt, das einem intelligenten Ring ähnelt und dank der Power-over-Skin-Technologie zuverlässig funktioniert. Dabei wird eine eigene Hardware zur Energiegewinnung eingesetzt, die die von der Haut des menschlichen Körpers übertragene Energie nutzt und über eine Bluetooth-Verbindung zur Steuerung der Display-Inhalte verwendet werden kann.

Die Innovation könnte auch zur Versorgung von tragbaren Sensoren verwendet werden, mit denen verschiedene physiologische Parameter auch über längere Zeiträume überwacht werden könnten, ohne dass der Sensor zum Aufladen der Batterie von der Haut entfernt werden muss. Da der Empfänger kapazitiv ist, kann er praktisch überall getragen werden, sogar durch die Kleidung hindurch, was viele Möglichkeiten eröffnet. Die Forscher haben die Innovation auch mit einem modifizierten Taschenrechner getestet, der Energie aus Ladungen gewinnt, die durch die Haut übertragen werden, wenn er mit der Handfläche in Berührung kommt.

Die Forscher schufen auch ein kleines Gerät, das die Sonneneinstrahlung überwachte und sogar ein winziges Display hatte - das ebenfalls durch das Power-over-Skin-Konzept mit Strom versorgt werden konnte. Da diese Methode eine effiziente und schnelle Energieübertragung auf das Gerät ermöglicht, kann sie zur effizienten Stromversorgung verschiedener Wearables genutzt werden, ohne dass die winzigen Wearables über Batterien verfügen müssen. Letzteres ist wichtig, weil dadurch leichtere und dünnere Wearables hergestellt werden könnten und die Industrie weniger abhängig von seltenen Erden für die Batterieproduktion werden könnte, wie es heute der Fall ist.

Die Forschung hat sich noch nicht mit der Frage befasst, ob die Nutzung der Haut des menschlichen Körpers als Leiter negative Auswirkungen hat, aber da es sich um einen sehr komplexen Bereich handelt, wird mehr Zeit benötigt, um mögliche negative Auswirkungen zu untersuchen. Außerdem ist es möglich, dass negative Auswirkungen erst nach langfristiger Nutzung auftreten und eine breite Palette von Problemen verursachen, die von Person zu Person unterschiedlich sind.

Die Forscher wiesen auch darauf hin, dass der menschliche Körper in der Vergangenheit von einigen Geräten zur Energieerzeugung genutzt wurde, z. B. von "Selbstaufzugs"-Uhrenmechanismen, die durch die Bewegung des Arms die Feder aufziehen konnten, die sie zum Laufen brachte. Diese wurden durch präzisere und billigere Quarzuhren ersetzt, die nun mit Batterien oder Akkus betrieben werden, und nun entsteht eine neue Technologie in Form von Power-over-Skin, die die Haut des menschlichen Körpers als Leiter nutzt.

Im Rahmen der Arbeit wurde auch untersucht, wie es sich auf die Leistung auswirkt, wenn das energieabsorbierende Empfangsgerät und das tragbare Gerät, das die Energie von ihm empfängt, an verschiedenen Körperstellen angebracht werden, wobei die Abstände zwischen den Geräten in den Experimenten variiert wurden. Jeder Sender wurde an sechs Stellen getestet: an der Brust, am rechten Knöchel, am rechten und linken Bizeps, am Nacken und am linken Zeigefinger. Die höchste Ausgangsleistung wurde natürlich erreicht, wenn der geringste Abstand zwischen dem energieabsorbierenden Gerät und dem tragbaren Gerät gemessen wurde: Die Ausgangsleistung betrug 1,53 mW. Der kleinste gemessene Wert lag bei der größten Entfernung, nämlich bei nur 5,3 mW. Die Ergebnisse wurden wahrscheinlich auch durch die Kleidung beeinflusst, was jedoch nicht diskutiert wurde.

Die Forschungsergebnisse sind beeindruckend, da sie uns dem Zeitalter der batterielosen tragbaren Geräte einen weiteren Schritt näher bringen, aber sie erfordern auch große Sorgfalt, da der menschliche Körper ein sehr komplexes System ist, dessen genaue Funktionsweise noch nicht vollständig verstanden wird. Eingriffe in dieses präzise System auf irgendeiner Ebene könnten sich letztendlich auf verschiedene physiologische Prozesse auswirken, weshalb weitere Forschung erforderlich ist. Die Erforschung der Technologie wird natürlich fortgesetzt, denn solche Innovationen verdienen es, gründlich untersucht zu werden, bevor sie in größerem Umfang zum Einsatz kommen.