Wearable tương lai có thể không còn phần trăm pin: Nó sẽ “ăn” ánh sáng, nhiệt cơ thể và sóng radio quanh chúng ta

Một chiếc smartwatch hiện đại được thiết kế quanh một con số mà người dùng nhìn thấy mỗi ngày: phần trăm pin. Mọi thứ từ tần suất đo nhịp tim, GPS, màn hình luôn bật tới kết nối không dây đều phải sống trong ngân sách năng lượng mà viên pin mang theo từ lần sạc gần nhất.

Một nhánh nghiên cứu wearable đang thử đảo logic đó. Thay vì mang toàn bộ năng lượng cần dùng trong vài ngày, thiết bị liên tục thu những lượng điện nhỏ từ môi trường: photon từ đèn và ánh nắng, chênh lệch nhiệt giữa da với không khí, chuyển động cơ thể và thậm chí sóng radio từ hạ tầng không dây xung quanh.

Năm 2026, từng mảnh của hệ này đã bắt đầu vượt khỏi những demo chỉ đủ làm LED nhấp nháy. Một thermoelectric device gắn trên người đã cấp khoảng 11,5 mW cho hệ đo nhịp tim và SpO₂; một ionic thermoelectric array khác tạo 1,9 V từ nhiệt gần nhiệt độ cơ thể và trực tiếp chạy thiết bị điện tử đeo được. Photovoltaic wristband đã cấp nguồn 3,3 V cho một node nhận dạng chuyển động. Trong khi đó, các rectenna mới có thể thu RF ở nhiều băng tần và duy trì những wireless sensor cực tiết kiệm điện.

Nhưng ghép các con số đó lại không tạo ra một Apple Watch “vĩnh viễn không sạc”. Bài toán thật nằm ở chỗ mỗi nguồn năng lượng mạnh vào một thời điểm khác nhau, yếu vào một thời điểm khác nhau và thường không trùng với lúc electronics cần peak power. Wearable tự chủ vì thế cần cả một microgrid trên cơ thể: nhiều harvester, power-management circuit, một bộ đệm năng lượng và software biết lúc nào nên đo, tính và phát radio.

Ánh sáng thường là nguồn giàu năng lượng nhất — khi nó có mặt

Trong số các nguồn ambient dành cho wearable, photovoltaic thường có power density hấp dẫn nhất nếu bề mặt thiết bị nhận đủ ánh sáng. Công nghệ này cũng hưởng lợi từ nhiều thập kỷ phát triển solar cell và gần đây là các vật liệu thin-film có thể uốn như organic semiconductor, perovskite và dye-sensitized cell.

Một wristband photovoltaic được công bố trên Science China Information Sciences tháng 1/2026 dùng nhiều cell mắc song song theo các hướng khác nhau để đối phó với một vấn đề rất “wearable”: cổ tay không bao giờ giữ tấm pin vuông góc ổn định với nguồn sáng. Ở điều kiện outdoor tốt nhất của thử nghiệm — trung bình khoảng 37.380 lux và 525 W/m² — hệ tạo công suất trung bình 15,88 mW, cung cấp nguồn 3,3 V cho một node cảm biến chuyển động. Sau một giai đoạn tích năng lượng, node có thể hoạt động 37,84 giây để đo và truyền dữ liệu.

Trong nhà, nguồn sáng yếu hơn nhiều nhưng thiết bị mục tiêu cũng có thể nhỏ hơn. Một consensus statement trên Nature Energy tháng 8/2026 ghi nhận indoor photovoltaics đang được phát triển cho IoT, wireless sensor, thiết bị tiêu dùng và y tế; literature đã có sensor node hoạt động ở mức chiếu sáng thấp tới 5 lux với cell 4 cm². Đồng thời, hơn 60 nhóm nghiên cứu và công ty phải thống nhất lại cách đo vì cùng một con số lux nhưng phổ LED khác nhau có thể cho lượng điện khác đáng kể.

Điểm yếu của ánh sáng rất đơn giản: tay áo, túi quần, chăn hoặc một căn phòng tối có thể làm nguồn năng lượng biến mất gần như ngay lập tức.

Nhiệt cơ thể không tắt khi đèn tắt, nhưng chênh nhiệt thường rất nhỏ

Cơ thể người liên tục thải nhiệt, nên thermoelectric generator có một lợi thế mà solar cell không có: nguồn nóng luôn ở ngay dưới thiết bị. Hiệu ứng Seebeck tạo điện áp khi hai phía của vật liệu thermoelectric ở nhiệt độ khác nhau.

Vấn đề là da thường chỉ nóng hơn môi trường vài kelvin. Một patch mỏng ôm sát cơ thể còn dễ làm hai phía tiến tới cùng nhiệt độ, khiến chính gradient cần để phát điện bị sụp xuống.

Hai nghiên cứu năm 2026 thử giải bài toán này bằng hai kiến trúc rất khác nhau. Trên Watt, nhóm tại Shanghai Institute of Ceramics thiết kế các thermoelectric leg dạng “lưỡi dao” mỏng và dài, tăng thermal resistance và diện tích tản nhiệt ra không khí. Khi đeo trên cơ thể trong điều kiện thử nghiệm, module đạt power density 135,3 µW/cm², điện áp khoảng 3,3 V và tổng output khoảng 11,5 mW. Hệ hoàn chỉnh dùng supercapacitor và mạch boost để đo nhịp tim, SpO₂ rồi truyền dữ liệu tới điện thoại mà không cần pin chính.

Một paper khác trên Nature Communications tháng 4/2026 dùng quasi-solid-state ionic thermoelectric cell dày chỉ 1 mm. Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào một gradient nhiệt xuyên qua chiều dày, thiết kế bất đối xứng kết hợp ion modulation và pseudocapacitive charge storage. Một cell cho khoảng 0,1 V ở điều kiện gần thân nhiệt; mảng 20 cell đạt 1,9 V và peak power density 23 W/m², đủ để chạy một thiết bị điện tử đeo được trong demonstration.

Những kết quả này không có nghĩa cơ thể đang phát ra hàng watt điện có thể khai thác dễ dàng. Output phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ phòng, airflow, vị trí đeo và diện tích tiếp xúc. Trong một ngày nóng, khi nhiệt độ môi trường tiến gần nhiệt độ da, thermoelectric source có thể giảm mạnh đúng lúc photovoltaic dưới nắng lại hoạt động tốt.

Sóng radio có ở khắp nơi, nhưng năng lượng ambient RF thường rất loãng

Wi-Fi, cellular, Bluetooth và broadcast liên tục tạo trường điện từ quanh chúng ta. Rectenna kết hợp antenna với rectifier có thể bắt một phần năng lượng RF rồi đổi thành DC.

Đây là nguồn hấp dẫn vì không cần ánh sáng và không phụ thuộc nhiệt độ da. Nhưng nó cũng là phần dễ bị phóng đại nhất của ý tưởng “ăn năng lượng từ không khí”. Công suất RF giảm rất nhanh theo khoảng cách, và mức năng lượng một wearable nhận được từ tín hiệu ambient thường nằm ở quy mô phù hợp với ultra-low-power sensor hơn là màn hình, GPS hay processor mạnh.

Một nghiên cứu tại Harbin Institute of Technology công bố tháng 8/2026 phát triển Vivaldi rectenna băng rộng cho vùng 1,8–2,45 GHz. Rectifier đạt peak conversion efficiency 61% khi input là 0 dBm và wireless sensor node có thể hoạt động bền vững ở khoảng cách 16,15 m từ một nguồn RF định hướng.

Hai chi tiết cần đọc cùng nhau. Hiệu suất 61% nói về khả năng chuyển đổi khi đã có RF input đủ mạnh; nó không cho biết đường phố hay phòng khách tự nhiên cung cấp bao nhiêu năng lượng. Và demo 16,15 m dùng một nguồn RF định hướng, nên gần với wireless power transfer có chủ đích hơn việc lượm ngẫu nhiên vài photon radio từ các router hàng xóm.

Trong wearable thực tế, RF harvesting vì thế phù hợp hơn như một nguồn phụ: duy trì clock, nạp rất chậm một capacitor, đánh thức một sensor hoặc hỗ trợ hệ thống ở nơi đã có transmitter được thiết kế để cấp năng lượng.

Ba nguồn yếu có thể tốt hơn một nguồn mạnh nhưng biến mất

Lý do hybrid harvesting hấp dẫn không phải vì cộng ba con số công suất cực đại rồi nhận tổng lớn hơn. Nó nằm ở tính bổ sung theo thời gian.

Photovoltaic mạnh khi có ánh sáng nhưng mất nguồn trong bóng tối. Thermoelectric có thể chạy liên tục khi thiết bị ở trên da nhưng yếu nếu môi trường nóng. RF nhỏ hơn nhưng có thể tồn tại ở nơi không có ánh sáng hay gradient nhiệt tốt. Thêm motion harvesting bằng piezoelectric hoặc triboelectric còn tạo một nguồn khác khi người dùng đang đi bộ hoặc tập thể thao.

Một nghiên cứu trên Nature Communications tháng 4/2026 cho thấy ngay cả ghép hai nguồn cũng có lợi. Nhóm chế tạo hệ photovoltaic–thermoelectric solution-processed và tạo một phiên bản flexible tích hợp vào quần áo. Trong demo wearable dưới ánh sáng chuẩn AM 1.5G, module hybrid có đủ output để trực tiếp chạy pulse sensor trong khi riêng organic solar module thì không. Thiết bị giữ performance ổn định sau 1.000 chu kỳ uốn theo báo cáo của nhóm.

Kết quả này diễn ra dưới solar illumination, không phải một ngày sử dụng hỗn hợp trong nhà–ngoài trời. Nhưng nó minh họa đúng vai trò của hybrid: một harvester có thể bù phần điện áp hoặc công suất mà nguồn kia thiếu ở operating point cụ thể.

Wearable “không pin” vẫn cần một nơi để giữ điện

Đây là nghịch lý dễ bị bỏ qua nhất. Năng lượng môi trường đến liên tục theo kiểu rất không liên tục.

Bluetooth transmitter có thể cần một burst công suất cao trong vài mili-giây dù mức tiêu thụ trung bình rất thấp. Optical heart-rate sensor cần bật LED. Một model TinyML có thể ngủ hàng giây rồi thức dậy để chạy inference. Harvester lại tạo điện theo tốc độ mà ánh sáng, nhiệt hoặc RF cho phép, không theo lịch mà CPU muốn.

Vì vậy phần lớn hệ self-powered nghiêm túc vẫn có energy buffer: supercapacitor, thin-film battery hoặc rechargeable microbattery. Trong thermoelectric health monitor năm 2026, TEG liên tục nạp supercapacitor; mạch boost chỉ cấp nguồn cho sensing/transmission khi điện áp đủ cao. Photovoltaic wristband cũng dùng chu kỳ “energy accumulation–load activation” thay vì giả định solar cell luôn đáp ứng peak load tức thời.

Tương lai hợp lý vì thế không phải wearable không có bất kỳ storage nào. Viên pin có thể nhỏ đi rất nhiều và đóng vai trò buffer thay vì bình nhiên liệu chính. Với một số sensor cực thấp công suất, supercapacitor thậm chí có thể thay pin hóa học hoàn toàn.

Phần mềm sẽ phải học cách sống theo thời tiết năng lượng

Khi điện đến từ môi trường, operating system không thể giả định nguồn điện ổn định. Nó phải trở thành energy-aware.

Nếu đang ở ngoài trời, wearable có thể tăng sampling rate, chạy inference tại chỗ và đồng bộ nhiều dữ liệu hơn. Vào phòng tối, nó giảm tần suất đo, gom dữ liệu rồi chờ một energy window tốt hơn để bật radio. Nếu thermoelectric vẫn cung cấp đủ nền, thiết bị duy trì những chức năng y tế quan trọng và hoãn những tác vụ không khẩn cấp.

Một nghiên cứu về multimodal wearable harvesting công bố năm 2025 đã thử kiến trúc kết hợp photovoltaic, thermoelectric, piezoelectric và RF với một energy-management unit theo dõi ánh sáng, nhiệt độ, chuyển động và cường độ RF để chọn nguồn phù hợp. Mô hình đó vẫn là một prototype nghiên cứu, nhưng nó cho thấy hướng thiết kế thay đổi: power management không chỉ là một IC sạc pin; nó trở thành scheduler quyết định cả khi nào hệ thống được phép làm việc.

“Không cần sạc” sẽ đến với sensor trước smartwatch

Có một khoảng cách lớn giữa một patch chỉ đo nhiệt độ mỗi phút và smartwatch có OLED, GNSS, LTE, microphone, haptic motor và processor chạy ứng dụng. Energy harvesting hiện phù hợp nhất với phía đầu tiên của phổ đó.

Các biosensor dán da, wearable y tế chỉ truyền dữ liệu định kỳ, smart ring đơn giản, asset tag và textile sensor có cơ hội đạt energy-neutral operation sớm hơn. Với thiết bị nhiều chức năng, ambient harvesting trước mắt có thể kéo dài thời lượng pin thay vì xóa cổng sạc.

Form factor cũng là giới hạn. Một thermoelectric module 10 × 8,5 cm có thể chứng minh 11,5 mW nhưng khó đặt vào đồng hồ nhỏ. Solar cell cần diện tích hở. Antenna RF cần hình học phù hợp và thay đổi khi bị uốn sát cơ thể. Ghép nhiều harvester có nguy cơ tạo một thiết bị nặng và cồng kềnh hơn chính viên pin mà nó muốn thay thế.

Vì vậy chỉ số quyết định sẽ không phải peak power của một vật liệu. Nó là energy balance của cả ngày: tổng joule thu được trong những môi trường người dùng thực sự đi qua có lớn hơn tổng joule mà sensing, compute, display và radio tiêu thụ hay không.

Nếu cán cân đó dương, giao diện pin có thể trở nên ít quan trọng dần. Wearable vẫn có một capacitor hoặc microbattery ở bên trong, nhưng người dùng không còn nghĩ về nó như một bình nhiên liệu phải đổ đầy mỗi tối. Thiết bị sẽ giống một sinh vật nhỏ hơn: ăn photon khi có ánh sáng, rút vài milliwatt từ nhiệt thoát khỏi da, nhặt thêm năng lượng từ RF và chuyển sang chế độ tiết kiệm khi môi trường trở nên “đói”.

Bước tiến lớn tiếp theo vì thế có thể không phải một solar cell lập kỷ lục hay một thermoelectric generator mạnh hơn riêng lẻ. Nó sẽ là một wearable đủ mỏng để đeo hàng ngày nhưng có thể ghép nhiều nguồn, lưu điện với tổn hao thấp và tự điều chỉnh workload sao cho qua hàng tuần hoặc hàng tháng, năng lượng thu vào luôn ít nhất bằng năng lượng nó tiêu đi.

Nguồn: Science China Information Sciences — A flexible photovoltaic wristband for self-powered wearable sensing on the human body; Nature Energy — Best practices for measuring the performance and stability of indoor photovoltaic devices; Watt — Flexible thermoelectric device with blade-like structure for ultrahigh output performance; Nature Communications — An ultrathin ionic thermoelectric cell design utilizing near body heat for self-powered wearable electronics; Microwave and Optical Technology Letters — An Ambient RF Energy Powered Wireless Sensor Node for Environmental Monitoring; Nature Communications — Solution-processed photovoltaic and thermoelectric hybrid systems with efficiency exceeding 50%; Discover Internet of Things — Energy harvesting techniques for self-sustaining wearables in remote environments.