Thermal and Electrical Energy Converters and Interfaces for the Internet of Humans

The emerging Internet of Humans (IoH) can shape future healthcare and consumer devices. The energy supply of IoH devices and unobtrusive interfacing with the human body remain fundamental challenges yet to be resolved. To address these obstacles, this work investigates thermal energy harvesting of body heat and soft thermal and electric skin interfaces.

The thermal harvesting potential of the human body is assessed over the mechanisms of heat generation and thermoregulation. Experimental verification is provided through a user study with 56 participants. The study demonstrates that 2 mW cm -2 to 40 mW cm -2 of thermal energy are available for harvesting, depending on the subject, body location, environment, and activity. A significant decrease of thermal energy with age is observed and can be correlated to an increase in thermal skin resistance.

To access the available energy, three wearable thermoelectric energy converters for different IoH applications are presented. A user-centered design approach, incorporating the complete pathway from body core to application, is pursued to combine performance with wearability. Special attention is paid to the critical interaction between thermal and electric energy conversion. A miniaturized thermal harvester for IoH sensor nodes generates μW, a wristband harvester supplying a multi-sensor bracelet hundreds of μW and a forehead harvester designed for a medical wearable mW of power. With a power density of 18.75 μW cm -3 at room temperature, the forehead harvester delivers the highest power output per volume compared to existing systems and demonstrates that wearability can be drastically improved without compromising the performance.

The wearability and performance of body heat harvesters is also defined by the thermal interfaces with the skin and the environment. A soft composite of silver particles and PDMS (Ag = 25 vol.%, λ = 1.42 W m -1 K -1) improves the comfort of skin interfaces without considerable power losses by adopting to the irregular body surface. A heat sink incorporating biomimetic microactuators with high temperature sensitivity (SD = 0.053K -1) extends the applicable temperature range of thermal harvesters by dynamically changing the thermal interface resistance to the ambient.

Lastly, to interface the human body electrically, soft, skin-conformal, and selfadhesive biopotential electrodes are presented. The dry skin interfaces show similar or superior performance in terms of skin-contact impedance (47 kΩ cm2) and motion artifact rejection (RMS = 30 μV) as compared to clinical standard gel electrodes. At the same time, skin irritations are minimized and the long-term stability in wet environments improves. The performance is validated by high-fidelity recordings of the ECG of athletes during workout in challenging environments and of the EEG through dense hair.

The interfaces and energy converters presented in this thesis are integrated into a proof-of-concept wearable EEG system that combines different energy harvesting sources with ultra-low power electronics and smart algorithms for automated patient monitoring. Das entstehende Internet of Humans (IoH) kann die Zukunft von Gesundheitswesen und Verbraucheranwendungen entscheidend prägen. Die Energieversorgung und die Schnittstellen zum menschlichen Körper verbleiben als bisher ungelöste Herausforderungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Energiegewinnung aus der Körperwärme, ebenso wie verformbare thermische und elektrische Schnittstellen zum Körper.

Die Eignung des menschlichen Körpers zur thermischen Energiegewinnung wird basierend auf den Mechanismen der Wärmeerzeugung und -regulierung untersucht und in einer Studie mit 56 Teilnehmern experimentell verifiziert. Die Auswertung zeigt, dass die für die Umwandlung verfügbare thermische Energie 2 - 40 Milliwatt pro Quadratzentimeter Hautoberfläche beträgt, abhängig von Individuum, Position auf dem Körper, Umgebung und Aktivität. Die thermische Energie nimmt mit dem Alter signifikant ab, möglicherweise im Zusammenhang mit einer Zunahme des thermischen Hautwiderstandes.

Drei tragbare Systeme zur Konversion von thermischer in elektrische Energie werden für verschiedene IoH Anwendungen diskutiert. Um Tragekomfort und Leistung zu vereinen, wird ein anwenderzentrierter Designansatz verfolgt. Dabei wird das Gesamtsystem vom Körper bis zur Anwendung, und insbesondere die kritische Interaktion zwischen thermischer und elektrischer Energiewandlung berücksichtigt. Die gewonnene Energie liegt im Bereich (1) einiger Mikrowatt für einen miniaturisierten Harvester zur Integration in IoH Sensorknoten, (2) einiger hundert Mikrowatt für einen Handgelenk-Harvester zur Versorgung eines MultiSensor-Armbandes und (3) im Milliwattbereich für einen auf der Stirn getragenen Harvester zur Versorgung eines tragbaren Medizintechnikproduktes. Im Vergleich mit bestehenden Systemen generiert der auf der Stirn getragene Harvester mit einer Energiedichte von 18.75 μW cm -3 bei Raumtemperatur die meiste Energie pro Volumen. Dies demonstriert dass der Komfort von tragbaren thermischen Harvestern drastisch verbessert werden kann ohne dabei Abstriche bei der Leistung zu machen.

Thermische Schnittstellen verbinden den Energiewandler mit dem Körper und der Umgebung. Da sich die resultierende Grenzfläche der unebenen Körperoberfläche anpassen kann, führt die Verwendung von weichen PDMS-SilberpartikelKompositen (Ag = 25 vol.%, l = 1.42 W m -1 K -1) zu einem verbesserten Komfort ohne nennenswerte Leistungsverluste . Ein Kühlkörper mit veränderlichem thermischen Widerstand wird als Verbindung zur Umgebung diskutiert. Durch die Verwendung von biomimetischen Mikroaktuatoren mit hoher Temperaturempfindlichkeit (SD = 0.053K -1) kann die Wärmesenke ihren thermischen Widerstand an die Temperatur anpassen und damit den Anwendungsbereich von thermischen Harvestern erweitern.

Um den Körper elektrisch zu kontaktieren werden weiche, hautkonforme and selbstklebende Biopotential-Elektroden demonstriert. Im Vergleich zu medizinischen Standardgelelektroden, zeigen die Trockenelektroden identische, oder verbesserte Kontaktimpedanzen (47 kΩ cm2) und verminderte Anfälligkeit für Bewegungsartefakte (RMS = 30μV). Gleichzeitig ist das Auftreten von Hautreizungen reduziert und die Langzeitstabilität bei Nässeeinfluss verbessert. Die Eignung der Elektroden wird durch die Aufnahme des EKGs bei Sportlern während des Trainings in anspruchsvollen Bedingungen und des EEGs durch dichtes Haar demonstriert.

Die in dieser Arbeit präsentierten Schnittstellen und Energiewandler werden in einem Demonstrator für ein tragbares EEG-Gerät integriert. Dieser vereint verschiedene Methoden der Energiegewinnung mit ultra-low Power Elektronik und intelligenten Algorithmen zur automatisierten Patientenüberwachung.