웨어러블 디바이스의 발전 (Wearable device)

IoT, 빅 데이터 및 클라우드 컴퓨팅 기술을 기반으로 한 지능형 스포츠용 TENG 의 개략도

 

- 지난 수십 년 동안 사물 인터넷 (IoT), 빅 데이터 및 클라우드 컴퓨팅의 급속한 발전과 스포츠 분야의 발전되고 있습니다. 특히 새로운 시대에 사물 인터넷 기반으로 한 빅 데이터 수집 및 분석은 지능형 스포츠 개발에 특히 중요합니다. 효과적인 데이터 수집 및 분석은 지능형 스포츠 개발을 위한 전제 조건이자 중요한 방안입니다. 실시간 데이터 수집 분산 센서에 크게 의존하고, 다른 감지 기술은 광학적, 정전 용량, 저항, 지자기, 화학, 및 감열 포함한 다양한 감지 메커니즘을 기반 지능형 스포츠 분야에 대해보고 되어있다. 고감도 및 기능 다양 화의 장점을 가지고 있습니다.

 

- 그러나 일반적인 단점은 일반적으로 작동을 위해 외부 전원 공급 장치가 필요하다는 것입니다. 일반적으로 기존 센서는 제한된 수명 및 높은 유지 관리 비용과 같은 한계가 있습니다.  기술 발전으로 각 센서를 구동하는 힘이 낮아지고 있지만 이러한 장치의 수는 스포츠 응용 분야에서 엄청날 수 있습니다. 수명 제한, 높은 교체 비용, 배터리 사용시 환경 오염 등의 한계를 고려하여 신체 활동 중에 스포츠 데이터를 모니터링 할 수 있고 추가 유지 보수가 없는 지속 가능한 감지 기술 개발이 요구됩니다.

 

 

접촉 분리 모드에서 TENG 의 작동 원리를 보여주는 계략도

 

- 새로 개발된 에너지 수확 및 자체 동력 감지 기술인 마찰 전기 나노 발전기 (TENG)는 이러한 한계를 극복할 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. 가장 중요한 것은 TENG는 스포츠에 가장 많이 사용되는 재료인 목재, 종이, 섬유 및 폴리머를 사용하여 제작할 수 있다는 것입니다. 지능형 스포츠 분야의 TENG 개발에 대한 최근 진행 상황을 요약합니다. 첫째, TENG의 작동 메커니즘과 운동 빅 데이터와의 연관성을 소개합니다. 그후, 스마트 스포츠 시설 및 웨어러블 장비를 포함한 TENG 기반 스포츠 감지 시스템의 개발이 강조됩니다. 

 

- 분산된 불규칙한 저주파 기계 에너지를 전력으로 변환하는 마찰 전기 나노 발전기 (TENG)는 저비용, 간단한 구조, 고효율 및 다양한 재료 옵션이라는 고유한 장점을 가지고 있습니다. 및 동료. 또한, TENGs 또한 외부 전원없이 촉각, 압력, 가속도, 또는 움직임 검출 용 센서 자체 전원으로 작동할 수 있습니다. 향상된 마찰 감지 신호와 자체 전원 시스템의 무선 센서는 상기 신호 처리 및 전송 모듈을 통합함으로써 실현될 수 있습니다.  따라서, 이러한 기술은 분산 모니터링 장치에 적용되어 지능형 스포츠의 분야에 많이 적용될 전망입니다.

 

전자기, 정전기, 압전 및 마찰 전기 효과를 기반으로 한 생체 역학적 에너지 수확 기술의 비교

 

- 여기서는 스마트 스포츠 분야에서 TENG 개발의 최근 발전을 중점으로 둡니다. 먼저 TENG의 작동 원리와 운동 빅 데이터와의 연관성을 소개합니다. TENG 기반 지능형 스포츠 감지 시스템의 최근 혁신적인 개발이 강조됩니다. TENG 기반 자체 구동 스마트 시스템의 구성을 보여줍니다. 첫째, 스포츠 시설에 TENG를 설치하여 신체 활동 중에 다양한 종류의 기계적 트리거 신호를 기록할 수 있습니다. 인체의 생리적 신호를 모니터링하기 위해 TENG를 웨어러블 장비로 설계할 수도 있습니다. 이렇게 엄청난 수의 TENG 기반 스마트 장치를 네트워크로 함께 연결하여 스포츠 분야에 널리 적용할 수 있습니다. IoT, 운동 빅 데이터 분석 및 클라우드 컴퓨팅 기술의 도움으로 스포츠 훈련 및 경쟁은 앞으로 더 스마트해질 것입니다. 마지막으로 지능형 스포츠에 대한 TENG의 현재 과제와 미래 전망에 대해 간략하게 설명합니다.

 

  1) 작업 안정성 및 내구성: 실제 적용시 습도, 온도 및 흡수와 같은 TENG의 안정성을 위협하는 외부 환경 요인이 많이 있습니다. 땀과 소금은 대부분의 스포츠에서 지속적으로 방출되며 TENG 장치에 스며 들어 오염될 수 있습니다. 이것은 TENG 기반의 지능형 스포츠 개발에 큰 장애물이 될 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 가장 효과적인 방법은 표면 나노 구조를 생성하거나 소수성 화학 그룹으로 표면을 수정하여 마찰 전기 층의 소수성과 자체 세척성을 개선하는 것입니다. 또한 땀 침투로부터 TENG 장치를 보호하지만 전기 성능을 크게 저하시키지 않는 고급 패키징 기술을 개발하는 것도 또 다른 유망한 전략입니다.

   

 2) 감지 정확도: TENG 기반 지능형 스포츠 감지 시스템의 현재 개발 단계에서 대부분의 연구자들이 감지 능력을 개선하기보다는 달성하기 위해 노력하고 있기 때문에 TENG의 감지 정확도는 무시되었습니다. 스마트 스포츠 분야의 급속한 발전으로 인해 상용화 과정에서 감지 정확도가 점점 더 중요해질 것입니다. TENG의 감지 정확도는 전기 성능과 밀접한 관련이 있으며 재료 수정, 구조 설계 및 전력 관리를 통해 개선할 수 있습니다. 또한 신호 처리 회로를 사용하여 감지 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

 3) 소형화 및 모듈화: 지능형 스포츠 분야에서 TENG를 실제로 적용하기 위해 TENG 기반 감지 시스템의 소형화 및 모듈화는 두 가지 중요한 과제입니다. 실용적이고 편안한 사용을 위해서는 스포츠 분야에서 TENG 시스템을 더 작고 가볍고 효율적으로 만드는 것이 특히 중요합니다. 특히 스마트 웨어러블 장비의 경우 TENG 장치의 유연성, 신축성, 생체 적합성 및 통기성도 고려해야합니다. 또한 TENG 기술을 기반으로 무선 센서 네트워크를 구축하기 위해서는 고도로 모듈화 된 센싱 시스템을 구성하기 위해 데이터 처리 장치, 무선 송신기, 수신기와 같은 여러 구성 요소가 필요합니다. 

 

 4) 감지 기능: 지능형 스포츠 분야의 향후 개발 요구를 충족하려면 보다 광범위한 운동 신호 감지를 달성하기 위해 TENG 기반 감지 시스템의 감지 기능을 더욱 개선해야합니다. TENG는 기계적 신호를 모니터링하기위한 능동 센서 역할을 할 수 있지만 체온, 땀 및 혈액 구성과 같은 스포츠 활동 중에 다른 비 기계적 신호를 감지하는 것은 어렵습니다. 스마트 시스템의 감지 기능을 확장하기 위해 TENG를 특정 수동 센서와 통합하여 기계 동작에서 에너지를 전원 공급 장치로 수집하여 자체 전원 공급 다기능 감지 시스템을 구현할 수 있습니다. 이 경우 TENG가 전원 역할을 합니다.

 

 5) 빅 데이터 분석: 빅 데이터 수집 및 분석은 지능형 스포츠 개발에 매우 ​​중요합니다. 스포츠 통계 및 분석을 위해 최대한 많은 데이터를 수집하기 위해 스마트 TENG 장치로 설계하여 특정 요구에 따라 다양한 종류의 운동 장비 또는 분야에 적용할 수 있습니다. 인공 지능 및 클라우드 컴퓨팅 기술과 결합하여 수집된 데이터를 자동으로 분석하여 과학적 운동 지침을 제공할 수 있습니다.

 

 6) 시장 요구 사항: 지능형 스포츠의 미래 시장에서 다양한 에너지 수확 및 감지 기술 중 TENG 기술의 독창성은 시장 수요와 비용 효율성에 달려 있습니다. 스마트 스포츠 장비의 적용 가능성과 실행 가능성을 높이려면 TENG의 재료 선택을 더욱 확장해야 합니다. 특히 스포츠 시설이나 웨어러블 장비와 동일한 소재를 활용하여 TENG를 제작하는 것은 좋은 선택이 될 것입니다. 또한 시장 수요를 충족시키기 위해 더 많은 다른 TENG 기반 스마트 스포츠 아이템도 개발되어야 합니다. TENG 기반 감지 시스템의 시장 경쟁력을 높이려면 생산 효율성을 높이고 생산 비용을 절감하며 성능을 향상시키는 데 집중해야 합니다.

 

실시간으로 맥박 및 호흡 신호를 모니터링하기 위해 셔츠에 통합된 2 개의 모든 섬유 TENG 그림. e) TENG와 옷의 조합에 대한 개략도.

 

스마트 스포츠 시설과 웨어러블 장비는 디지털화로 발전하고 있는 스포츠 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 유지 보수가 없고 지속 가능하며 민감한 센서는 널리 배포된 스포츠 데이터를 모니터링하는 데 가장 중요합니다. 여기에서는 자체 구동 식 스마트 스포츠 시설 및 웨어러블 장비 구축을 위한 TENG의 최근 발전 사항을 간략히 요약했습니다. TENG 기술은 가까운 장래에 지능형 스포츠 개발에 중요한 지원을 제공할 것으로 예상됩니다.

향후 연구에서 TENG 기술을 기반으로 한 지능형 스포츠의 적용 가능성을 높이기 위해 안정성, 감지 정확도, 소형화, 감지 능력, 빅 데이터 분석 및 시장 요구 사항 측면에서 잠재적인 과제와 기회를 분석합니다.

 

 

보행 모니터링을 위한 TENG 기반 스마트 깔창의 개략도 / 마찰 전기 및 압전 하이브리드 메커니즘을 사용하는 스마트면 양말의 개략도.

 

< 출 처 >

 

Luo, Jianjun, Wenchao Gao, and Zhong Lin Wang. "The Triboelectric Nanogenerator as an Innovative Technology toward Intelligent Sports." Advanced Materials 33.17 (2021): 2004178.

 

논문 제목 : The Triboelectric Nanogenerator as an Innovative Technology toward Intelligent Sports

 

https://doi.org/10.1002/adma.202004178