يلعب نوع البطاريات المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء دورًا حاسمًا في تحديد أدائها وعمرها الافتراضي وتجربة المستخدم، وتعتمد غالبية الأجهزة القابلة للارتداء على بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) أو بطاريات الليثيوم بوليمر (Li-Po). في هذه المقالة، سنستكشف كيف يمكن للبطاريات المشكلة أن تسد الفجوة بين البطاريات التقليدية وتمكين الأجهزة القابلة للارتداء.
متطلبات بطاريات الأجهزة القابلة للارتداء
1. حجم صغير: ملاءمة الطاقة في المساحات الصغيرة
تعطي الأجهزة القابلة للارتداء الأولوية لقابلية النقل، مما يجبر البطاريات على التقلص دون التضحية بالسعة. على سبيل المثال، تستخدم الساعات الذكية مثل ساعة Apple Watch بطاريات ليثيوم بوليمر (Li-Po) النحيفة التي تتوافق مع التصميم الداخلي المنحني للجهاز. وبالمثل، تعتمد أجهزة تعقب اللياقة البدنية مثل ساعة Fitbit Charge 6 على خلايا رفيعة للغاية (غالباً ما تكون صغيرة جداً (100 مللي أمبير في الساعة) للحفاظ على مظهر خفيف الوزن. حتى النظارات الذكية مثل نظارات Ray-Ban Meta الذكية تضع بطاريات صغيرة في مفصلاتها لتجنب زيادة الوزن.
2. تصميم مريح: الراحة والسلامة أولاً
يجب أن تتماشى البطاريات مع شكل الجهاز لمنع الشعور بعدم الراحة. على سبيل المثال، تقوم الأجهزة القابلة للسمع مثل سماعات الأذن اللاسلكية (مثل AirPods Pro) بتوزيع وزن البطارية بالتساوي على كلتا السماعتين لتجنب إجهاد الأذن. تستخدم الحلقات الذكية مثل حلقة Oura Ring بطاريات مرنة ومنحنية تلتف حول الإصبع دون حواف حادة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المواد آمنة على الجلد ومقاومة للحرارة، كما هو الحال في الأجهزة الطبية القابلة للارتداء مثل أجهزة المراقبة المستمرة للجلوكوز، حيث يكون التلامس المباشر مع الجلد ثابتاً.
3. كفاءة الطاقة: تعظيم وقت التشغيل في أقل مساحة ممكنة
مع وجود مساحة محدودة للخلايا الكبيرة، تتطلب الأجهزة القابلة للارتداء بطاريات ذات كثافة طاقة عالية. فساعة Garmin Fenix 7 الذكية، على سبيل المثال، تستخدم خلايا Li-Po المتقدمة لتوفير عمر بطارية يدوم لأسابيع على الرغم من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وميزات تتبع الصحة. وبالمثل، تعتمد نظارات الواقع المعزز مثل Xreal Air 2 على إدارة محسّنة للطاقة لتحقيق التوازن بين سطوع الشاشة واستنزاف البطارية.
نوع البطاريات المستخدمة في الأجهزة القابلة للارتداء
1. بطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)
- كثافة الطاقة: ~حوالي 250-300 واط/كغ (نموذجي للخلايا الصغيرة).
- دورة الحياة: 300-500 دورة (تنخفض السعة إلى 80%).
- السلامة: خطر التسرب أو الهروب الحراري في حالة التلف.
- التكلفة: أقل من Li-Po، ومتوفرة على نطاق واسع.
- التطبيقات: الأجهزة القديمة القابلة للارتداء (على سبيل المثال، موديلات Fitbit المبكرة).
2. بطاريات ليثيوم بوليمر (Li-Po)
- كثافة الطاقة: ~250-300 واط/كجم (مشابه لليثيوم أيون ولكن أكثر مرونة في الشكل).
- دورة الحياة: 400-600 دورة.
- السلامة: أكثر أمانًا من الليثيوم أيون بسبب الإلكتروليت الهلامي؛ انخفاض مخاطر التسرب.
- التكلفة: أعلى قليلاً من الليثيوم أيون.
- التطبيقات: سائدة في الأجهزة الحديثة القابلة للارتداء (مثل Apple Watch Series 8 وGalaxy Watch 5).
3. بطاريات الحالة الصلبة
- كثافة الطاقة: 400-500 واط/كغ (متوقع للأجهزة القابلة للارتداء).
- دورة الحياة: أكثر من 1000 دورة (مراحل تجريبية).
- السلامة: إلكتروليت غير قابل للاشتعال؛ لا يوجد خطر تسرب.
- التكلفة: حاليًا أعلى بـ 2-3 أضعاف من Li-Po.
- التطبيقات: النماذج الأولية فقط (على سبيل المثال، الأجهزة السمعية التجريبية من قبل الشركات الناشئة مثل Solid Power).
جدول المقارنة
| المعلمة | ليثيوم أيون (ليثيوم أيون) | بوليمر الليثيوم (Li-Po) | الحالة الصلبة |
|---|---|---|---|
| كثافة الطاقة | 250-300 واط/كغ 250-300 واط/كغ | 250-300 واط/كغ 250-300 واط/كغ | 400-500 واط/كغ (متوقع) |
| دورة الحياة | 300-500 دورة | 400-600 دورة | 1,000+1,000 دورة (البحث والتطوير) |
| المرونة | صلابة | شكل مرن | قابل للتخصيص |
| السلامة | معتدل | عالية | عالية جداً |
| التكلفة (لكل كيلوواط/ساعة) | 100-150 | 120-180 | 300-500 (حالي) |
| مثال على الاستخدام | نماذج فيتبيت المبكرة | ساعة Apple Watch، ساعة Galaxy Watch | النماذج الأولية (على سبيل المثال، الطاقة الصلبة) |
لماذا تهيمن Li-Po على الأجهزة القابلة للارتداء اليوم
تهيمن بطاريات Li-Po نظراً لمرونتها في التصميم، وسلامتها المحسّنة، وتوازنها بين التكلفة والأداء. على سبيل المثال، تستخدم ساعة Apple Watch Series 8 خلية Li-Po بسعة 1.11 واط في الساعة بسبب مظهرها النحيف (iFixit Teardown، 2022).
تبشر بطاريات الحالة الصلبة بقفزة مستقبلية في كثافة الطاقة والسلامة ولكنها تظل محدودة بسبب تكاليف التصنيع وتحديات قابلية التوسع. وتستهدف شركات مثل QuantumScape الأجهزة القابلة للارتداء كسوق متخصصة للتبني المبكر (كوانتوم سكيب، 2023).
بطاريات على شكل بطاريات: التغلب على القيود التقليدية في الأجهزة القابلة للارتداء
يتطلب النمو السريع للتكنولوجيا القابلة للارتداء - من أجهزة تتبع اللياقة البدنية إلى نظارات الواقع المعزز - بطاريات ليست صغيرة الحجم فحسب، بل قابلة للتكيف مع التصميمات غير التقليدية. وغالباً ما تقصر البطاريات الأسطوانية أو المستطيلة التقليدية عن تلبية هذه الاحتياجات. هذا هو المكان الذي تتألق فيه البطاريات ذات الشكل المخصص، حيث تقدم حلولاً مصممة خصيصاً لمواجهة التحديات الفريدة للأجهزة القابلة للارتداء. دعونا نستكشف كيف تتفوق مصادر الطاقة المبتكرة هذه على الخيارات التقليدية، مع أمثلة واقعية عبر الخواتم الذكية والنظارات وغيرها.
حدود البطاريات التقليدية في الأجهزة القابلة للارتداء
- صلابة الشكل: تحدّ البطاريات الأسطوانية أو المنشورية من مرونة التصميم، مما يجبر الأجهزة القابلة للارتداء على تقديم تنازلات بشأن الجماليات أو بيئة العمل.
- عدم كفاءة الفضاء: تترك الأشكال الثابتة "فراغات ميتة" في الأجهزة المدمجة، مما يقلل من سعة البطارية المحتملة.
- مخاوف تتعلق بالسلامة: قد تواجه الأغلفة الصلبة صعوبة في تحمل الانحناء أو الصدمات في الأجهزة الديناميكية القابلة للارتداء.
- مشكلات السُمك: تتعارض البطاريات الضخمة مع الملامح النحيفة المطلوبة للراحة.
كيف تحل البطاريات ذات الشكل المخصص هذه المشاكل
1. حرية التصميم لتحسين المساحة
يتم قولبة البطاريات ذات الشكل المخصص لتلائم الخطوط الدقيقة للجهاز، مما يقضي على المساحة المهدرة. على سبيل المثال:
- الخواتم الذكية: يمكن للبطارية الدائرية أو المنحنية أن تلتف حول السطح الداخلي للحلقة، مما يزيد من السعة دون زيادة الحجم. دراسة حالة: حقّقت علامة تجارية رائدة في مجال الخواتم الذكية عمر بطارية يصل إلى 3 أيام في تصميم بسماكة 5 مم باستخدام بطارية ليثيوم بوليمر على شكل هلال.
- نظارات الواقع المعزز: يمكن أن تندمج البطاريات الرفيعة للغاية (نحيفة جداً (0.45 مم) في هيكل الإطار، مما يتيح الاستخدام طوال اليوم دون المساس بتوزيع الوزن.
2. تعزيز السلامة مع التغليف المرن
على عكس الأغلفة المعدنية الصلبة، تستخدم البطاريات المخصصة مواد مغلفة خفيفة الوزن وقابلة للانحناء (على سبيل المثال، غشاء من الألومنيوم والبلاستيك). وهذا يجعلها مثالية من أجل:
- أشرطة اللياقة البدنية: بطاريات منحنية تتحمل الثني المتكرر أثناء التمارين.
- السمعية: تقلل البطاريات ذات العبوات اللينة من مخاطر التسرب أو التمزق في سماعات الأذن المعرضة للعرق.
3. كثافة طاقة أعلى من خلال الابتكار الهيكلي
من خلال ملء كل ملليمتر من المساحة المتاحة، توفر البطاريات المخصصة سعة أكبر بما يصل إلى 301 تيرابايت 3 تيرابايت من نظيراتها القياسية. على سبيل المثال
- الرقع الطبية: بطارية على شكل زجزاج في جهاز مراقبة الجلوكوز تطيل وقت التشغيل إلى 7 أيام، وهو أمر بالغ الأهمية للتتبع الصحي المستمر.
4. ملفات تعريف فائقة النحافة للأجهزة القابلة للارتداء السرية
تتيح البطاريات المخصصة تصميمات أنيقة ومريحة:
- نظارات ذكية: تعمل بطارية بسماكة 0.6 مم مدمجة في جسر الأنف على تشغيل شاشة عرض صغيرة لأكثر من 8 ساعات.
- ساعات ذكية فاخرة: تتبع الخلايا ذات الشكل غير المنتظم منحنى علب الساعات الراقية، مما يحافظ على الجماليات الأيقونية.
التطبيقات الواقعية
-
التحكم بالإيماءات في تشغيل الحلقة الذكية
يستخدم الخاتم الذكي الذي يركّز على الألعاب بطارية على شكل حرف C لتشغيل مستشعرات الحركة وردود الفعل اللمسية. يسمح التصميم بالاندماج بسلاسة في حلقة بعرض 7 مم، ويدعم 48 ساعة من الاستخدام النشط
-
جهاز تتبع اللياقة البدنية ببطارية منحنية
ويتميز سوار اللياقة البدنية الشهير ببطارية منحنية بسعة 120 مللي أمبير في الساعة تتبع المحيط الطبيعي للمعصم، مما يضيف سعة 201 تيرابايت 3 تيرابايت مقابل خلية مستطيلة من نفس الحجم.
-
نظارات الواقع المعزز ذات الطراز العسكري
توفر البطاريات المخصصة على شكل حرف L في النظارات التكتيكية 12 ساعة من التصوير الحراري وتشغيل HUD، مع تحمل درجات الحرارة والاهتزازات الشديدة.
كيف تمكّن البطاريات المصممة على شكل بطاريات من تمكين الجيل التالي من الأجهزة القابلة للارتداء
مع تطور التكنولوجيا القابلة للارتداء - من الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية إلى نظارات الواقع المعزز وأجهزة الاستشعار الطبية - يزداد الطلب على البطاريات التي التكيف مع الابتكار تنمو بشكل كبير. في حين تهيمن بطاريات الليثيوم أيون على سوق الإلكترونيات الاستهلاكية، تبرز البطاريات المشكلة كعوامل تمكين صامتة للتصاميم المتطورة القابلة للارتداء
لماذا تُحدِث البطاريات ذات الأشكال المختلفة ثورة في الأجهزة القابلة للارتداء
-
حرية عامل الشكل
تجبر البطاريات التقليدية المستطيلة أو ذات الخلايا المعدنية المهندسين على تصميم الأجهزة حول البطارية. تعكس البطاريات ذات الشكل هذا النموذج. فمن خلال التوافق مع المنحنيات أو المساحات المجوفة أو الأشكال الهندسية غير المنتظمة (على سبيل المثال، البطاريات على شكل حلقة للمجوهرات الذكية)، فإنها تطلق مرونة غير مسبوقة في التصميم. مثال على ذلك: يمكن الآن لخاتم المراقبة الصحية أن يحتوي على بطارية على شكل هلال يتبع محيط الجهاز، مما يزيد من المساحة الداخلية لأجهزة الاستشعار دون المساس بالراحة.
-
تحسين المساحة = وظائف محسنة
تزدهر الأجهزة القابلة للارتداء على التصغير. كشفت دراسة تمزيقية أجريت عام 2023 أن الأجهزة التي تستخدم بطاريات على شكل بطاريات تخصص مساحة أكبر للمكونات المهمة (مثل المستشعرات البيومترية والمعالجات) مقارنة بتلك التي تستخدم بطاريات قياسية. وهذا يترجم مباشرة إلى منتجات أكثر ذكاءً وأخف وزناً وأكثر ثراءً بالميزات.
-
كثافة الطاقة المصممة خصيصًا لتلبية الاحتياجات الفريدة
لا تتعلق البطاريات المصممة على شكل بطاريات بالجمال فقط - فهي مصممة للأداء. فمن خلال التكديس المتقدم وتخصيص الأقطاب الكهربائية، تحقق هذه البطاريات كثافة طاقة أعلى في المناطق المستهدفة. على سبيل المثال، يمكن أن تعطي البطارية المنحنية في نظارات الواقع المعزز الأولوية لتوصيل الطاقة إلى وحدة العرض مع الحفاظ على المظهر الجانبي النحيف
-
المتانة تجتمع مع قابلية الارتداء
وتسمح الركائز المرنة ومواد التغليف المرنة للبطاريات ذات الأشكال بتحمل الانحناء (على سبيل المثال، في أحزمة اللياقة البدنية القابلة للطي) والحركة المتكررة. أظهرت دراسة حالة أجرتها إحدى العلامات التجارية الرائدة في مجال الملابس الذكية عمر دورة أطول بمقدار 40% للبطاريات ذات الأشكال في الملابس القابلة للغسل مقارنة بالبدائل الصلبة.
إعادة تعريف التطبيقات الواقعية
- الأجهزة الطبية القابلة للارتداء: لصقات تخطيط كهربية القلب مزودة ببطاريات رقيقة للغاية ملتصقة بالجلد للمراقبة المستمرة لمدة 7 أيام.
-
الأزياء والتكنولوجيا الهجينة: ساعات ذكية مصممة مع بطاريات مصبوبة في وصلات السوار، مما يزيل جماليات "الانتفاخ".
-
معدات رياضية: نعال داخلية حساسة للضغط تعمل ببطاريات على شكل قدم تحصد الطاقة الحركية.
ما الذي تبحث عنه في بطارية الجهاز القابل للارتداء: دليل المشتري
نظرًا لأن الأجهزة القابلة للارتداء أصبحت أدوات أساسية لتتبع الصحة والتواصل والإنتاجية، تلعب بطارياتها دورًا محوريًا في تحديد تجربة المستخدم. وبعيدًا عن مواصفات العلامة التجارية والميزات المبهرجة، إليك ما يهم حقًا عند تقييم أداء بطارية الجهاز القابل للارتداء:
1. عمر البطارية مقابل حجم الجهاز: تحقيق التوازن
قد يخفي سوار اللياقة البدنية النحيف الذي يتباهى بـ "عمر بطارية يدوم 7 أيام" بعض المساومات. الأسئلة الرئيسية التي يجب طرحها:
- كثافة الطاقة: ما مقدار الطاقة (mAh) المعبأة في حجم البطارية؟ كثافة أعلى = وقت تشغيل أطول بدون حجم كبير.
- الكفاءة: هل يعمل الجهاز على تحسين استخدام الطاقة عبر معالجات منخفضة الطاقة أو أوضاع السكون؟
سبب أهمية البطاريات ذات الشكل: تعمل التصميمات ذات الشكل المخصص (مثل الخلايا المنحنية أو المكدسة) على زيادة تخزين الطاقة في المساحات الضيقة، مما يتيح عمرًا أطول في أشكال أنيقة مثل الحلقات الذكية أو نظارات الواقع المعزز.
2. سرعة الشحن وملاءمته
الشحن المتكرر يقتل سهولة الاستخدام. تحديد الأولويات:
- تقنية الشحن السريع: هل يمكن لـ 10 دقائق من الشحن أن توفر استخدام يوم كامل؟
- خيارات الاتصال اللاسلكي/الاتصال اللاسلكي: ضروري للأجهزة المقاومة للماء (مثل أجهزة تعقب السباحة).
ابتكار البطاريات على شكل بطارية على شكل بطارية: تتيح البطاريات المرنة لفائف الشحن اللاسلكي المدمجة، مما يقلل من تعارض المساحة الداخلية.
3. السلامة والمتانة
يجب أن تتحمل البطارية التآكل والتلف اليومي. تحقق من ذلك:
- الشهادات: معايير UL/IEC لمقاومة الحرارة والحماية من الشحن الزائد.
- قابلية الانحناء: بالنسبة للأجهزة التي يتم ارتداؤها على المفاصل (مثل أحزمة الركبة)، يجب أن تتحمل البطاريات أكثر من 10000 دورة انثناء.
مثال على ذلك: تستخدم الأجهزة الطبية القابلة للارتداء بطاريات رقيقة للغاية وقابلة للانحناء مع تغليف مثبط للهب لتشغيل آمن على الجلد.
4. القدرة على التكيف مع الشكل والمساحة
البطارية الضخمة تفسد بيئة العمل. ابحث عن:
- التكامل الموفر للمساحة: هل تتوافق البطارية مع هندسة الجهاز (على سبيل المثال، على شكل حلقة، منحنية)؟
- توزيع الوزن: تسبب البطاريات الثقيلة إزعاجاً في سماعات الأذن أو سماعات الواقع الافتراضي.
ميزة البطارية على شكل بطارية على شكل بطارية: تتيح القوالب المخصصة للبطاريات ملء "المساحات الميتة" (على سبيل المثال، أحزمة الساعات الذكية)، مما يوفر مساحة للشاشات أو المستشعرات الأكبر حجمًا.
5. الاستدامة وطول العمر
تجنب الأجهزة التي تحتاج إلى استبدال سنوي. تحقق من ذلك:
- دورة الحياة: تحتفظ البطارية الجيدة القابلة للارتداء بسعة ≥80% بعد 500 دورة.
- قابلية إعادة التدوير: هل مواد مثل الليثيوم-الكوبالت أو إلكتروليتات الحالة الصلبة صديقة للبيئة؟
نصيحة احترافية: تعمل البطاريات ذات التصميمات المعيارية (على سبيل المثال، الخلايا القابلة للاستبدال في المعينات السمعية) على إطالة عمر الجهاز.
يكمن مستقبل البطاريات ذات الشكل المخصص في قدرتها على أن تصبح غير مرئية - ليس فقط من الناحية المادية، ولكن أيضًا في كيفية اندماجها بسلاسة في حياتنا. من الخواتم الذكية التي لا تحتاج إلى الشحن أبدًا إلى الأجهزة الطبية التي تراقب الصحة من داخل الجسم، ستفتح البطاريات ذات الشكل الخاص ابتكارات غير مسبوقة. بالنسبة إلى الشركات المصنعة للأجهزة القابلة للارتداء، يعني البقاء في الطليعة تبني هذه التطورات اليوم - الشراكة مع مبتكري البطاريات، والاستثمار في البحث والتطوير، وإعادة تصور ما هو ممكن عندما يلتقي الشكل مع الوظيفة.
لان دازل: تمكين حلول البطاريات المخصصة
مصممة للأجهزة الطبية وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء والتكنولوجيا القابلة للارتداء، صُممت لان دازل بطاريات ليثيوم خفيفة الوزن تجمع بين المظهر الجانبي المنخفض للغاية (نحافة تصل إلى 0.6 مم) والأشكال القابلة للتخصيص لتناسب المساحات المدمجة. وبفضل كثافة الطاقة العالية (250-300 واط ساعة/كجم) والتفريغ المستقر، فإنها تعمل على تشغيل الساعات الذكية والأجهزة القابلة للزرع وأجهزة التتبع اللاسلكية وأجهزة المراقبة الطبية. تضمن ميزات السلامة المحسّنة (مقاومة درجات الحرارة والحماية من الثقب) الموثوقية في البيئات الحساسة.
