قماش ذكي يحول الحرارة إلى كهرباء

تخيل ملابس تراقب درجة حرارتك، تتبع نشاطك، أو تبقيك دافئًا بمفردها دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.

حسنًا، كل هذا وأكثر يقترب بسرعة من أن يصبح حقيقة بفضل جميع الأبحاث والتطوير التي تجري عند تقاطع التقنية والملابس. 

لقد كان التقدم التكنولوجي يغيّر حياتنا من خلال جعل هواتفنا وأجهزة المنزل أكثر ذكاءً. الآن، حتى ملابسنا تصبح ذكية، مما يفتح إمكانيات تمهد الطريق لمستقبل مثير وأكثر استدامة.

السوق العالمي للمنسوجات الذكية يقدر حاليًا بـ 4.1 مليار دولار ومن المتوقع أن يرتفع إلى 24.5 مليار دولار بحلول عام 2032. ومن المثير للاهتمام أن جمع الطاقة يشكل حاليًا أكبر حصة في هذا السوق، وفقًا لـ Markets and Markets.

جمع الطاقة هو تحويل الطاقة المحيطة إلى طاقة كهربائية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المستقلة. يمكن جمع هذه الطاقة من مصادر مختلفة، بما في ذلك الميكانيكية والحرارية. لإنشاء أقمشة تجمع الطاقة، عادةً ما تُضاف مواد نشطة إلى سطح النسيج أو تُنسج أو تُطرز فيه. 

يمكن أن تُستَخدم هذه الأقمشة الذكية كبديل للبطاريات، التي تحتاج إلى شحن أو استبدال دوري لأنها تحتوي على كمية محدودة من الطاقة. في تطبيقات النسيج القابل للارتداء، تكون البطاريات عادةً صلبة وثقيلة ويجب إزالتها قبل الغسيل، وبالتالي تحتاج إلى تحسين.

على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة مبكرة نسبيًا، فإن هذا القطاع ينمو بسرعة، مدفوعًا بمجموعة من العوامل تشمل التقدم التكنولوجي، التصميم، طلب المستهلك، التصغير، وسياسات الحكومة.

الآن، دعونا نلقي نظرة على الابتكارات المثيرة في هذا القطاع والقوة الحرفية للملابس التي نرتديها!

قماش ذكي لتحويل حرارة الجسم إلى كهرباء

أحد أحدث التطورات المثيرة للدهشة تم إنجازه من قبل باحثين من جامعة واترلو بالتعاون مع مؤسسة رائدة في علم وهندسة النسيج في جامعة جيانغنان، حيث أنشأوا قماشًا ذكيًا يحول الطاقة الحرارية من الجسم وضوء الشمس إلى طاقة كهربائية.

يتمتع هذا القماش الذكي بقدرة على توليد الطاقة، ومراقبة مؤشرات الصحة، وتتبع النشاط البدني. تسمح هذه المستشعرات للقماش باكتشاف تغيرات درجة الحرارة ومراقبة الضغط، والإجهاد، والتركيب الكيميائي.

تطبيق واعد لهذا القماش هو الأقنعة الذكية التي يمكنها تتبع درجة الحرارة ومعدل تنفسك بالإضافة إلى اكتشاف المواد الكيميائية للمساعدة في تحديد حالات مثل سرطان الرئة والفيروسات. وفقًا لـ Yuning Li، مديرة مختبر المواد الإلكترونية القابلة للطباعة في واترلو وأستاذة في قسم الهندسة الكيميائية:

“لقد طورنا مادة قماشية ذات قدرات استشعار متعددة الوظائف وإمكانات توليد ذاتي للطاقة (التي) تقربنا من التطبيقات العملية للأقمشة الذكية.”

القماش المصمم من قبل الفريق مرن، قائم على MXene، حراري كهربائي، ويمكنه تحديد محفزات الانضغاط ودرجة الحرارة بدقة. لتحقيق ذلك، طوّر الفريق طبقة من بولي‑دوبامين اللاصقة (PDA) على سطح قماش النايلون، مما سهل ربط MXene عبر الروابط الهيدروجينية. 

لقد حظي MXene باهتمام كبير بفضل مزيجه النادر من الخصائص مثل البنية الطبقية، المرونة، السطح الواسع، التوصيل الكهربائي والفلزي، التوافق الحيوي، القابلية للامتصاص المائي، قابلية تعديل الحجم، والكيمياء السطحية الغنية. وأشار الدراسة إلى:

“القماش الحراري الكهربائي القائم على MXene يُظهر قدرة استثنائية على اكتشاف الحرارة وثباتًا دوريًا مع تقديم حساسية ممتازة، استجابة سريعة (60 مللي ثانية)، ومتانة ملحوظة في استشعار الانضغاط (3200 دورة).”

القماش الجديد ليس فقط أكثر توفيرًا للتكلفة، ومتينًا، ومستقرًا مقارنةً بالأقمشة الأخرى في السوق، بل وعلى عكس الأجهزة القابلة للارتداء الحالية التي تحتاج إلى شحن متكرر، يمكن لهذا القماش العمل دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي. بهذه الطريقة، تُظهر الأبحاث الإمكانات الهائلة لدمج البوليمرات الموصلة وMXene مع تقنيات القماش الحديثة لتطوير الأقمشة الذكية.

مع الإشارة إلى التقدم المتنوع في التقنية، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي الذي يتطور بسرعة لتقديم معالجة إشارة متقدمة لمراقبة الصحة وحفظ الأغذية والأدوية، جادل Li بأن جميع هذه التطورات تعتمد على “جمع بيانات شامل، وهو ما لا تستطيع المستشعرات التقليدية—التي غالبًا ما تكون ضخمة ومكلفة وصعبة الاستخدام—تحقيقه.” وهذا يجعل المستشعرات المطبوعة، المدمجة في الأقمشة الذكية، مثالية لجمع البيانات ومراقبتها باستمرار، أضاف Li.

في حين يمثل هذا القماش المبتكر تقدمًا كبيرًا في جعل هذه التطبيقات قابلة للتنفيذ، سيتوجه الباحثون الآن إلى تحسين قدرات القماش أكثر ودمجه مع الأنظمة الإلكترونية. قد يكون تطبيق هاتف ذكي جزءًا من هذا التطور المستقبلي لتتبع وإرسال البيانات من القماش إلى المتخصصين في الرعاية الصحية للمراقبة الصحية غير الغازية وفي الوقت الحقيقي.

الأقمشة الرائدة للمستقبل

تتسارع التطورات في الملابس الذكية منذ فترة ليست بالقصيرة. في عام 2016، أنشأ باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا في أتلانتا قماشًا بطاقة ميكرو‑كابل يمكنه جمع الطاقة من ضوء الشمس والحركة.

للقيام بذلك، نسج العلماء خيوطًا مع خلايا شمسية رقيقة قائمة على الألياف ومولدات نانوية احتكاكية. القماش الذكي الناتج كان بسماكة 320 ميكرومتر طبقة واحدة ويمكن دمجه في الخيام، والستائر، ومختلف الملابس. وفقًا للدراسة، يمكن للنسيج شحن هاتف محمول مباشرةً وتزويد ساعة إلكترونية بالطاقة بشكل مستمر.

كما نجح علماء NTU في سنغافورة في تطوير “قماش” يحول حركة الجسم إلى كهرباء. لإنشاء هذا القماش القابل للتمدد ومقاوم للماء، استخدم العلماء بوليمرًا يحول القوة الميكانيكية، مثل الضغط أو العجن، إلى طاقة كهربائية. القماش يحتوي على طبقة أساسية من الإسباندكس القابل للتمدد وهو أيضًا مدمج مع مادة شبيهة بالمطاط تجعل القماش مرنًا، قويًا، ومقاومًا للماء.

في تجربة، أظهر الفريق أن النقر على قطعة صغيرة من هذا القماش ينتج طاقة كهربائية يمكنها إضاءة مئة صمام LED بفعالية. كما أن الغسل أو التجعيد أو طي القماش لم يؤثر سلبًا على الأداء ويمكنه الحفاظ على خرج كهربائي مستقر لمدة تصل إلى خمسة أشهر.

“نعتقد أنه يمكن أن يُنسج في القمصان أو يُدمج في نعل الأحذية لجمع الطاقة من أصغر حركات الجسم، وتوجيه الكهرباء إلى الأجهزة المحمولة.”

– لي بوي سي، عالم مواد، وأستاذ مشارك في NTU

بينما تُعد الأقمشة الذكية موضوعًا للعديد من الأبحاث والتطوير، لا يزال التكلفة الفعّالة تمثل تحديًا كبيرًا. كما أن نقص العملية العملية قد يكون مشكلة في بعض الأحيان.

لمعالجة هذه القضايا، قام الباحثون بـ تطوير أقمشة ذكية من الجيل التالي يمكن إنتاجها بشكل غير مكلف باستخدام نفس الآلات المستخدمة في الملابس التقليدية. أولاً، أظهر الباحثون أن تغليف الألياف بمواد تتحمل الشد يمكن أن يتوافق مع عمليات النسيج التقليدية. الآن، يمكن أيضًا إنتاج الأقمشة الذكية باستخدام عمليات آلية، دون حدود على حجمها أو شكلها. 

هذا مجرد البداية، فكل هذا الاهتمام بالأقمشة الذكية يؤدي إلى العديد من الابتكارات المثيرة الأخرى. على سبيل المثال، أدى هذا التقدم إلى تطوير جهاز قابل للارتداء يمكن دمجه في القماش أو ارتداؤه كسترة. يمكنه تمويه مرتديه عن أجهزة الاستشعار التي تكتشف الحرارة، مثل نظارات الرؤية الليلية، بغض النظر عن الطقس. 

بينما يسخن سطح الجهاز أو يبرّده بسرعة ليتطابق مع درجات الحرارة المحيطة، مخفيًا حرارة جسم المرتدي، يظل الداخل عند نفس درجة حرارة بشرة الإنسان.

في الوقت نفسه، في الجامعة الوطنية في سنغافورة، طور الباحثون جهازًا لتوليد الكهرباء من الرطوبة (MEG) باستخدام القماش، ملح البحر، حبر الكربون، وجل مخصص لامتصاص الماء. من خلال إبقاء أحد طرفي القماش دائمًا مبللاً والطرف الآخر جافًا، يولد القماش المغطى بالكربون تيارًا كهربائيًا بقدرة على إنتاج الكهرباء لأكثر من 150 ساعة. يعمل كالبطارية، حيث قدم خرجًا كهربائيًا أعلى من بطارية AA التقليدية، مما يُظهر إمكاناته لتشغيل الإلكترونيات اليومية.

مفهوم جهاز MEG مبني على قدرة المواد المختلفة على توليد الكهرباء من التفاعل مع الرطوبة في الهواء. وهذا يثبت ملاءمته لمجموعة متنوعة من الاستخدامات العملية، مثل الإلكترونيات القابلة للارتداء وأجهزة تخزين المعلومات.

كما صنع المهندسون ترانزستورات وأجهزة إلكترونية من الخيوط. أحد الأبحاث شمل نسج خيوط رقيقة في القماش لإنشاء أجهزة إلكترونية يمكن ارتداؤها على الجلد أو زرعها جراحيًا للمراقبة التشخيصية. 

تم دمج أول ترانزستورات قائمة على الخيط (TBT) مع حساسات خيطية لتمكين إنشاء أجهزة مرنة ومتعددة الوظائف تمامًا. تضمنت الـ TBT تغليف خيط كتان بأنياب كربونية لإنشاء سطح شبه موصل للإلكترونات ثم ربطه بسلكين ذهبيين رفيعين، أحدهما متصل بجل مملوء بالإلكتروليت. 

وفقًا لمؤلف الدراسة Sameer Sonkusale، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في كلية الهندسة بجامعة تافتس:

“هناك العديد من التطبيقات الطبية التي يمكن أن يكون فيها قياس العلامات الحيوية في الوقت الحقيقي مهمًا لعلاج المرض ومراقبة صحة المرضى. القدرة على دمج جهاز تشخيصي ناعم ومرن لا يلاحظه المريض قد تكون قوية للغاية.”

أقمشة ذكية للتكيف مع تغير درجات الحرارة 

بعد ذلك، يُستكشف بُعد آخر من الأقمشة الذكية وهو القماش المتكيف مع الحرارة، الذي يعزز كفاءة الطاقة من خلال تقليل الحاجة إلى أنظمة تدفئة أو تبريد مدفوعة بالطاقة.

في هذا السياق، قدم بحث جديد من جامعة هونغ كونغ للبوليتكنيك، نُشر هذا الأسبوع، ملابس روبوتية ناعمة قابلة للتنفس وعازلة حراريًا يمكنها التكيف تلقائيًا مع تغير درجات الحرارة المحيطة، مما يساعد على ضمان سلامة العمال في البيئات الحارة. 

بحث مثير من الجمعية الكيميائية الأمريكية قبل بضع سنوات تضمن تطوير مادة تبرد مرتديها دون استخدام الكهرباء عبر نقل الحرارة والسماح للرطوبة بالتبخر من الجلد.

مع تحمل تكييف الهواء وطرق التبريد الأخرى جزءًا كبيرًا من استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة، تبنى الباحثون نهجًا مستهدفًا، يبرّد جسم الشخص بدلاً من الغرفة بأكملها.

بينما تم تصميم الملابس والنسيج بالفعل للقيام بذلك، فإن معظمها يواجه تكاليف مرتفعة، قدرة تبريد ضعيفة، واستهلاك كبير للكهرباء. لذا، صنع الباحثون المادة الجديدة عن طريق البثق الكهربائي لبوليمر، تحديدًا بوليمرًا طاردًا للماء، ومعبئ موصل حراري إلى أغشية نانوية من الألياف. 

كانت لهذه الأغشية مسام كبيرة تسمح بتبخر العرق من الجلد وتدوير الهواء مع طرد الماء من الخارج. أشارت الدراسة إلى أن هذه الأغشية، إلى جانب تبريد الشخص، يمكن أن تكون مفيدة أيضًا لتحلية مياه البحر، جمع الطاقة الشمسية، وإدارة الحرارة للأجهزة الإلكترونية.

من الجمعية الكيميائية الأمريكية جاء أيضًا نسيج جديد لا يحافظ على برودة مرتديه في الصيف فحسب، بل يبقيه دافئًا في الشتاء، مما يجعله فريدًا في هذا الصدد. بينما عُرفت الأقمشة الذكية بأنها تُدفئ أو تُبرّد المرتدي، فإن القماش القادر على فعل كلا الأمرين ليس شائعًا حقًا. هذا القماش القوي والمريح لا يتطلب أي مدخل طاقة.

لإنشاء هذا القماش الذكي، قام العلماء بتجميد الكيتوزان المستخرج من هيكل قشري للروبيان، والحرير، إلى ألياف ملونة ذات بنية مسامية دقيقة، ثم ملأوها ببوليمر متغير الحالة يُدعى بولي إيثيلين جليكول (PEG). تم تغطية الخيط بسيليكون بوليديميثيلسلفون لتجنب تسرب PEG السائل، الذي يمتص ويطلق الطاقة الحرارية.

اختبر الباحثون القماش، الذي أثبت مرونته، قوته، ومقاومته للماء، من خلال نسجه في قطعة قماش ثم دمجه في قفاز بوليستر. عندما ارتديه شخص ووُضع في حجرة ساخنة (122°F)، امتص PEG الصلب الحرارة وذاب إلى سائل، مبرّدًا الجلد. وعلى العكس، عندما تعرض للبرودة (50°F)، صلب PEG مطلقًا الحرارة ومُدفئًا الجلد.

وفقًا للباحثين، يمكن توسيع القماش لإنتاج كميات كبيرة لأنه متوافق مع صناعة النسيج الحالية.

انقر هنا لتتعرف على الملابس الذكية لالتقاط الحركة التي تغير الرياضة والعلاج الطبيعي.

الشركات المشاركة في الأقمشة الذكية التي تجمع الطاقة

الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي تُبدع في مجال الأقمشة الذكية:

#1. Adidas

أطلقت الشركة أول زوج من أحذيتها الذكية قبل عقد من الزمن. كان الحذاء يحتوي على مستشعر، معالج دقيق، محرك كهربائي، ومادة نسيج إلكترونية ذكية.

في عام 2021، كشفت Adidas عن ابتكارها النسيجي الجديد المسمى STRUNG، والذي وُصف بأنه أول عملية نسيج وصناعة في الصناعة. يتيح هذا الابتكار لـ Adidas بناء واختبار هياكل مختلفة قبل إرسال التصميم المختار إلى روبوت STRUNG. يُعد هذا المفهوم منتجًا أحذية يعتمد بالكامل على البيانات لملف عدّاء محدد.

تبلغ قيمة سوق Adidas 43 مليار دولار، وأسهمها تتداول عند 119.58 دولار، بارتفاع 16.74% منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي -0.37، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو -325، بينما عائد الأرباح المدفوع هو 0.32%، وفقًا لـ CNBC. في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت شركة الملابس الرياضية الألمانية عن إيرادات قدرها 5.82 مليار يورو، وصافي ربح 196.0 مليون يورو، وهوامش ربح 3.4%، مقارنةً بـ 1.6% في الربع الثاني من 2023.

#2. DuPont De Nemours

في عالم الملابس الذكية، أطلقت DuPont روابط إلكترونية قابلة للتمدد عبر Intexar™. تُحوِّل هذه التقنية الملابس العادية إلى أزياء نشطة وذكية توفر بيانات حيوية حرجة مثل معدل ضربات القلب، معدل التنفس، وتوتر العضلات.

تبلغ قيمة سوق DuPont 33.47 مليار دولار، وأسهمها تتداول عند 80.19 دولار، بارتفاع 4.22% منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي 0.72 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو 111.16، بينما عائد الأرباح المدفوع هو 1.90%، وفقًا لـ CNBC. في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت الشركة عن زيادة بنسبة 2% في صافي المبيعات لتصل إلى 3.2 مليار دولار وتدفق نقدي حر مُعدَّل ارتفع 53% إلى 425 مليون دولار.

تشمل الأسماء البارزة الأخرى التي تعمل على الملابس الذكية شركة Pireta البريطانية، التي طورت عملية إضافية فريدة تضيف التوصيل إلى الأقمشة دون التأثير على أداء أو انسياب garment. ثم هناك سترة Solar Charged من Collebak التي تمتص الضوء خلال النهار وتُصدره ليلاً. أما e‑skin من Xenoma، فهي قميص ذكي مدمج بأجهزة استشعار لمراقبة حركات الجسم والبيانات الفسيولوجية. وتقدم OMSignal ملابس استشعارية تستخدم أقمشة تجمع الطاقة لتشغيل المستشعرات المدمجة في القماش لمراقبة معدل ضربات القلب، التنفس، وغيرها من العلامات الحيوية.

تعمل أيضًا شركات مثل Applied Materials (AMAT ) ، Nike، SolarEdge Technologies (SEDG ) ، Smartex، وSensoria في هذا المجال. 

في أوروبا، توحدت عدة شركات لإطلاق مشروع GRAPHERGIA، الذي يهدف إلى تحويل طريقة جمع الطاقة في الأقمشة وأنظمة البطاريات. انطلق المشروع في أواخر العام الماضي لابتكار أقمشة ذكية تتكيف مع الجسم وتُشحن نفسها.

“نحن نتخيل عالماً تكون فيه ملابسك أكثر من مجرد مظهر جميل—إنها تُزوِّد أجهزتك بالطاقة، وتعمل كمستشعر، وتربطك بسلاسة بإنترنت الأشياء (IoT).”

– البروفيسور Spyros Yannopoulos، منسق مشروع GRAPHERGIA

الخلاصة 

كل هذه الابتكارات المثيرة التي تحدثنا عنها أعلاه تجعل الموضة الآن وسيلة لا تُظهر فقط القوة في المظهر بل تولّد الطاقة حرفيًا. من خلال دمج المنسوجات مع مجمعات الطاقة، يمكننا أيضًا الحصول على حلول طاقة قابلة للارتداء صديقة للبيئة، شاملة، ومستدامة. 

الأقمشة ذات الكفاءة الطاقية تتضح بوضوح كقوة مستقبلية للموضة، فتفتح عالمًا جديدًا تمامًا من التقنية القابلة للارتداء. الحد الوحيد هنا هو خيالنا.

انقر هنا لتتعرف على الأجهزة القابلة للارتداء ذات الشحن الذاتي.