الملابس الذكية المشحونة لاسلكيًا أصبحت ممكنة الآن بفضل اختراق حبر MXene

لقد جعلت التطورات التكنولوجية كل شيء ذكيًا اليوم، من هواتفنا، الثلاجات، التلفزيونات، الساعات، الدراجات، السيارات، والمحافظ إلى الأفران، النظارات، أجراس الأبواب، منظمات الحرارة، وفرش الأسنان.

شيء آخر يصبح ذكيًا قد لا تكون تتوقعه هو ملابسك. هذا صحيح! حتى الألبسة والمنسوجات تصبح ذكية. تخيل منسوجات يمكنها أن تستشعر وتستجيب لدرجة حرارتك، حركتك، وضغطك.

إن انتشار المنسوجات، بالإضافة إلى مساحتها الكبيرة وقربها من المستخدمين، يجعل دمج الوظائف فيها مشروعًا واعدًا.

على الرغم من الوعود التي قدمتها العديد من العلامات التجارية الرائدة في الموضة، لم تصبح الملابس الذكية المزودة بأجهزة استشعار والمنسوجات الجيلية القادمة جزءًا منتظمًا من حياتنا اليومية بعد. ذلك لأن الإلكترونيات القائمة على المنسوجات أو e‑textiles تتطلب مصادر طاقة على المنسوجات، مما قد يؤثر سلبًا على راحة المستخدم.

كبديل، تم اتخاذ مسار جمع الطاقة على الملابس. تُعد الأجهزة الضوئية (الفوتوفولتية) أمثلة على الأجهزة التي تحقق مخرجات معقولة ولكن بجهد منخفض نسبيًا. كما أن لديها طرق تصنيع معقدة وتحتاج إلى الضوء لتوفير الطاقة. البيزوإلكترونية هي أخرى تُولد جهدًا كبيرًا ولكنها تزود التيارات في نطاق الميكروأمبير.

هنا، يمكن أن يوفر الشحن اللاسلكي مزايا كبيرة، حيث يتجه الباحثون إلى MXenes ودمجها مباشرةً في المنسوجات.

للمساعدة في جعل e‑textiles جزءًا من خزانة ملابسنا، تعاون باحثون من جامعة دريكسل مع Accenture Labs في كاليفورنيا لبناء شبكة طاقة منسوجية كاملة يمكن شحنها لاسلكيًا.

في تفصيل العملية وإمكانية بناء شبكة، أفادت الدراسة الأخيرة، المدعومة من المعاهد الوطنية للصحة، باستخدام حبر مكوّن من MXene للطباعة على منسوجات قطنية غير منسوجة.

يمكن إجراء هذه الطباعة بسهولة باستخدام طرق الطباعة المباشرة، ويمكن تجفيف الحبر في درجة حرارة الغرفة ووضعه على المنسوجات.

يمكن لشبكة الطاقة على الملابس من جامعة دريكسل تشغيل الإلكترونيات الواقعية، بما في ذلك مستشعر sEMG، ونقل البيانات في الوقت الفعلي. كما أن الفريق أنشأ سخان جول لاسلكي، تم تشغيله مباشرةً بواسطة ملف MXene الخاص بهم.

MXene: مادة نانوية ثنائية الأبعاد ذات إمكانيات لا نهائية

تم إنشاء MXene في دريكسل نفسها، وهي نوع من المواد النانوية التي ليست فقط ذات توصيلية عالية بل أيضًا متينة بما يكفي لتحمل الغسيل، والتمدد، والطي الذي يجب أن تتحمله الملابس.

بالإضافة إلى توصيله الطبيعي، فإن MXene غير قابل لاختراق الإشعاع الكهرومغناطيسي ويمكن أن يتشتت في الماء كمحلول غرواني مستقر. يتيح ذلك طلاء المنسوجات بـ MXene بسهولة دون الحاجة إلى إضافات كيميائية. كما أن MXene يظهر قدرة فائقة على السعة الفائقة ويظهر واعدًا في أجهزة الاستشعار. يمكن وضع هذه النانو‑شريحة في أي مكان وعلى أي سطح تقريبًا.

كل هذه الصفات تمنح MXene ميزة مميزة على المواد الأخرى وتجعله مرشحًا مثاليًا للدمج في المنسوجات لإضافة وظائف وتوليد وتخزين الطاقة الكهربائية. كما أشارت جامعة دريكسل:

الإمكانات لـ MXenes لا حدود لها.

على سبيل المثال، طور الباحثون استراتيجية قابلة للتوسع لتصنيع أفلام عالية الأداء من شقائق كربيد التيتانيوم MXene التي لها تطبيقات واعدة في الفضاء، والطب الحيوي، والأجهزة الإلكترونية المرنة. في مكان آخر، اكتشف العلماء خصائص من النوع p في مادة MXene جديدة لتطوير إمكاناتها لتطبيقات النانو تكنولوجيا. فريق آخر يفتح إمكانات MXene في التحفيز لتسهيل استخدام الأمونيا كحامل للهيدروجين لتخزين الطاقة المتجددة.

في الواقع، كان ذلك قبل أكثر من عقد من الزمن عندما اكتشف باحثو دريكسل في كلية الهندسة، قسم علوم وهندسة المواد، عائلة هذه الكربيدات أو النيتريدات ثنائية الأبعاد. بضع ذرات فقط في السماكة، أظهر هيكل المادة إمكانات هائلة من حيث خصائصها واستخدامها.

ليس هناك MXene واحد فقط؛ هناك العديد منها مع إمكانات أكثر بكثير.

السماء هي الحد حقًا.

– يوري جوجوتسي، أستاذ في كلية الهندسة بجامعة دريكسل ومدير معهد أ.ج. دريكسل للمواد النانوية، منذ سنوات

ثم بدأ الباحثون في استكشاف إمكانية تعديل MXene كطلاء يمكنه أن يمنح مجموعة واسعة من المواد خصائصه الاستثنائية.

الآن، مع أحدث إثبات المفهوم، حققت الجامعة تطورًا كبيرًا آخر، وهو خطوة هامة لتقنية الملابس القابلة للارتداء، التي تُقيد حاليًا باستخدام بطاريات ضخمة وصلبة لا تُدمج بالكامل في الملابس.

في حديثه عن كيف أن مصادر الطاقة الضخمة التي تتطلب مكونات صلبة ليست مثالية، أوضح قائد الدراسة، جوجوتسي، أنها ببساطة غير مريحة وتدخلية للمرتدي.

بينما يمكن توصيل e‑textiles بالحائط، فإن الطاقة المباشرة تقيد الحركة. وأضاف:

(إنها أيضًا) تميل إلى الفشل عند الواجهة بين الإلكترونيات الصلبة والمنسوج الناعم مع مرور الوقت.

يمكن لهذه الواجهات أن تقلل من راحة المستخدم وتكون عرضة للفشل الميكانيكي. ثم هناك مشكلة قابلية الغسل مع e‑textiles، والتي يصعب التعامل معها إلى حد كبير.

لذا، طبع فريق البحث في دريكسل شبكة المنسوجات على ركيزة قطنية مرنة وخفيفة الوزن، والتي كانت بحجم رقعة صغيرة فقط.

وتحتوي كذلك على ملف رنان مطبوع يُدعى MX‑coil، يحول الموجات الكهرومغناطيسية إلى طاقة لتمكين الشحن اللاسلكي. وهناك أيضًا ثلاثة سوبركاباسيتورات منسوجية تخزن الطاقة وتُستخدم لتشغيل الأجهزة.

انقر هنا لتتعرف على القماش الذي يمكنه تحويل الحرارة إلى كهرباء.

سوبركاباسيتور ‘رقعة’ لتخزين الطاقة

Source: Drexel University

بعد دراسة المتانة، التوصيلية الكهربائية، وسعة تخزين الطاقة للمنسوجات المفعّلة بـ MXene والتي لم تُحسّن لتشغيل الإلكترونيات بخلاف الأجهزة السلبية مثل أضواء LED، طورت دريكسل وAccenture Labs هذه السوبركاباسيتورات العام الماضي.

في ذلك الوقت، أفاد الفريق أن السوبركاباسيتور يمكن شحنه في دقائق قليلة ثم تشغيل مستشعر درجة الحرارة وإرسال البيانات لاسلكيًا لمدة ساعتين تقريبًا.

أشار جوجوتسي، الذي شارك في تأليف الدراسة، أيضًا في ذلك الوقت إلى أنه من أجل دمج التقنية بالكامل في القماش، يجب أن نتمكن أيضًا من دمج مصدر طاقته بسلاسة.

اختراعنا يوضح الطريق إلى الأمام لأجهزة تخزين الطاقة في المنسوجات.

– جوجوتسي

سهولة التمسك بـ MXene على القماش تسمح لسوبركاباسيتور دريكسل بعرض كثافة طاقة عالية ودعم التطبيقات الوظيفية، وهو ما يلزم لتطبيق تخزين الطاقة القائم على المنسوجات في الاستخدامات الواقعية.

تم تصميم رقعة سوبركاباسيتور المنسوجات المصنوعة من MXene بهدف تعظيم سعة تخزين الطاقة باستخدام أقل كمية من المادة ومساحة قليلة. بهذه الطريقة، تم تقليل التكلفة الإجمالية للإنتاج وفي الوقت نفسه الحفاظ على مرونة وارتداء الملابس.

الآن، لإنشاء السوبركاباسيتور، تم غمس قطع صغيرة من المنسوج القطني المنسوج في محلول MXene. ثم تم طبقه على جل إلكتروليت كلوريد الليثيوم. كل خلية سوبركاباسيتور تحتوي على طبقتين من المنسوج، يتم تغطيتهما بـ MXene.

للحصول على رقعة يمكنها تشغيل الأجهزة، تم تكديس خمس خلايا بمساحة 25 سنتيمترًا مربعًا لإنشاء حزمة طاقة قادرة على الشحن إلى 6 فولت. كما تم تفريغ الخلايا لتجنب تدهور الأداء.

تمكن السوبركاباسيتور من الفريق من تشغيل متحكم دقيق Arduino Pro Mini بجهد 3.3 فولت، وهو أحد أعلى معدلات الطاقة الكلية المسجلة لجهاز طاقة منسوج.

كما تمكن المتحكم الدقيق من نقل درجة الحرارة لاسلكيًا كل 30 ثانية لمدة 96 دقيقة. تم الحفاظ على هذا الأداء باستمرار لأكثر من 20 يومًا.

تمكين الشحن اللاسلكي في المنسوجات

بعد إنشاء جهاز تخزين الطاقة، أي السوبركاباسيتور، الذي يوفّر الطاقة أسرع من البطارية، بدأ الفريق العمل على شبكة المنسوجات التي تشمل ملف MX‑coil وثلاثة سوبركاباسيتورات منسوجية.

أظهر الفريق فعالية نظامه في تشغيل مختلف استخدامات e‑textile. على سبيل المثال، تمكنت الشبكة المطورة من الشحن لاسلكيًا بجهد 3.6 فولت، وهو ما يكفي لتشغيل أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء بالإضافة إلى الساعات الحاسبة والآلات الحاسبة. إلى جانب الأجهزة الصغيرة، كان لدى الشبكة القدرة على تشغيل الدوائر الرقمية في الحواسيب.

عند اختبار الشبكة مع أجهزة إلكترونية صغيرة، تبين أنه من خلال شحنها لمدة 15 دقيقة فقط، تمكنت الشبكة من توليد طاقة كافية لتشغيل الأجهزة الصغيرة لأكثر من 90 دقيقة.

بالإضافة إلى ذلك، بعد خضوعها لدورة غسيل وثني مكثفة لمحاكاة التآكل والتمزق الذي تتعرض له الملابس العادية، وجد الباحثون أن أداء الشبكة انخفض بالكاد.

بقيادة الدكتورة فلافيا فيتالي، أستاذة مشاركة في علم الأعصاب، اختبر المتعاونون من جامعة بنسلفانيا أيضًا الشبكة لأقطاب حساسات حيوية لاسلكية قائمة على MXene تُدعى MXtrodes تراقب حركة العضلات.

إلى جانب تطبيقات على الملابس التي تتطلب تخزين الطاقة، أظهر الفريق حالات الاستخدام التي قد لا تحتاج إلى تخزين الطاقة، مثل “الظروف التي يكون فيها المستخدمون خاملون نسبيًا”، وفقًا لأليكس إنمان، دكتوراه، مساعد باحث مع جوجوتسي في معهد أ.ج. دريكسل للمواد النانوية.

في هذا الصدد، استخدم الفريق النظام لتشغيل مجموعة جاهزة من حساسات الحرارة والرطوبة إلى جانب متحكم دقيق لبث البيانات التي جمعوها في الوقت الفعلي. شحن لاسلكي لمدة نصف ساعة فقط وفر الوظيفة المستهلكة للطاقة من البث الفوري من الحساسات لمدة 13 دقيقة.

تم استخدام ملف MX‑coil أيضًا لتشغيل عنصر تسخين مطبوع على المنسوج، وهو سخان جول. حقق زيادة في درجة الحرارة بحوالي 4 درجات مئوية كإثبات للمفهوم. وفقًا لجوجوتسي:

يمكن شحن العديد من التقنيات المختلفة لاسلكيًا. الأمر الرئيسي الذي يجب مراعاته عند اختيار تطبيق هو أن يكون مناسبًا لتطبيق قابل للارتداء.

بينما يمكن دمج المستشعرات البيولوجية، كجزء من مستقبل الرعاية الصحية، مباشرةً في المنسوجات لزيادة جودة وموثوقية البيانات وتعزيز راحة المستخدم، صرح جوجوتسي أن أبحاثهم تُظهر أن شبكة الطاقة القائمة على المنسوجات يمكنها تشغيل أي عدد من الأجهزة الطرفية.

من اللمس القابل للارتداء لتطبيقات AR/VR مثل الترفيه والتدريب إلى مصابيح LED القائمة على الألياف للموضة أو سلامة العمل والتحكم في الإلكترونيات الخارجية، أظهرت شبكة الطاقة القائمة على المنسوجات حالات استخدام محتملة متعددة.

على الرغم من كونها إنجازًا كبيرًا، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحسين التصميم لإنشاء سلوكيات رنانة وقد تُضاف مواد أخرى لزيادة الكفاءة. في المستقبل، سيركز باحثو دريكسل على توسيع نظامهم دون تقييد قدرته على الاندماج في المنسوجات أو التأثير سلبًا على أدائه.

بشكل عام، يمكن لمواد MXene، وفقًا لجوجوتسي وإنمان، أن تلعب دورًا رئيسيًا في تحويل مختلف التقنيات إلى أشكال منسوجة.

نحن ننتج طاقة كافية من الشحن اللاسلكي لتشغيل العديد من التطبيقات المختلفة، لذا فإن الخطوات التالية تتعلق بالدمج. إحدى الطرق الكبيرة التي يمكن أن يساعد بها MXene هي أنه يمكن استخدامه للعديد من هذه الوظائف – مسارات موصلة، هوائيات، ومستشعرات.

– إنمان

الشركات التي تستعد للاستفادة من تحول e‑Textiles إلى واقع

الملابس الذكية هي سوق متنامٍ، تُقدّر قيمتها الحالية بـ 5.16 مليار دولار، ومن المتوقع أن تنمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 26.2٪ من 2025 إلى 2030. مع التركيز المتزايد على الصحة واللياقة بين المستخدمين، أنشأت عمالقة التقنية مثل Google وApple (AAPL ) تقنيات قابلة للارتداء ويمكن أن تستفيد أيضًا من e‑textiles.

في عام 2019، تعاونت Levi مع Google لإطلاق سترة الشاحنين الذكية. احتوت على تقنية Jacquard من Google المدمجة، التي تسمح باستخدام جزء معين من القماش للتحكم في الهواتف المحمولة.

يمكن أن تكون المنسوجات القائمة على MXene ذات قيمة أيضًا في المجال الطبي، حيث يمكن لشركات مثل Medtronic (MDT) استخدامها لتوفير الراحة والسلامة.

الآن، دعونا نستعرض شركتين يمكنهما الاستفادة حقًا من التطورات المستمرة في الملابس الذكية.

1. Vuzix Corporation

لدى الملابس الذكية نطاق واسع للاستخدام والنمو في صناعات الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR). يمكنها أن تساعد في طمس الخطوط الفاصلة بين العوالم المادية والافتراضية من خلال إشارات حسية مثل ردود الفعل اللمسية، مما يخلق تجارب أكثر غمرًا للمستخدم.

Vuzix هي شركة مزودة لتقنية العرض القابلة للارتداء للواقع المعزز والواقع الافتراضي. من خلال دمج e‑textiles القائمة على MXene في أجهزتها القابلة للارتداء، يمكن لـ Vuzix تحسين تجربة المستخدم بشكل كبير عن طريق القضاء على حزم البطاريات الخارجية دون تقييد حركة المستخدم.

الآن، إذا ألقينا نظرة على أدائه في السوق، فإن أسهم الشركة ذات القيمة السوقية 76.2 مليون دولار انخفضت بنسبة 44.36٪ هذا العام حيث تُتداول بسعر 1.22 دولار في وقت الكتابة. لديها ربحية السهم (TTM) بقيمة -1.26 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) بقيمة -0.92.

في الربع الثاني من عام 2024، أبلغت الشركة عن انخفاض بنسبة 77٪ في إيراداتها الإجمالية إلى 1.1 مليون دولار مقارنةً بـ 4.7 مليون دولار في الربع الثاني من عام 2023. كان هذا الانخفاض نتيجة انخفاض مبيعات المنتجات، خصوصًا نظارات M400 الذكية.

كان الخسارة الإجمالية للفترة 0.3 مليون دولار، نتيجة انخفاض الإيرادات التي لم تغطِ تكاليف التصنيع الثابتة للشركة. في الوقت نفسه، بلغت نفقات البحث والتطوير 2.4 مليون دولار. حتى 30 يونيو 2024، كان لدى Vuzix نقدًا وما يعادله 9.9 مليون دولار، بينما كان رأس المال العامل الإجمالي 22.1 مليون دولار.

2. Nike

هذا العملاق في مجال الملابس يستكشف الملابس الذكية منذ فترة، ويمكن أن يساعد دمج ملابس الشحن اللاسلكي القائمة على MXene شركة Nike في تطوير ملابس رياضية متقدمة يمكنها تتبع البيانات الحيوية دون التأثير على وظائف المستخدم وراحته.

مؤخرًا، كشفت عن Aerogami، تقنية ملابس جديدة قابلة للتنفس تتميز بفتحات استجابة للرطوبة تفتح وتغلق تلقائيًا عند استشعار العرق. تساعد العدائين على تنظيم درجة حرارة أجسامهم بشكل أفضل أثناء التمرين. من خلال تقنية الملابس ذات الأداء العالي، سعت Nike إلى “إنشاء منتج يتفاعل مع أجسام الرياضيين في الوقت الحقيقي أثناء تسخينهم، تعرقهم، وتبريدهم.”

الآن، للنظر إلى جانبها المالي، Nike هي شركة ذات قيمة سوقية 6 مليارات دولار، وتُتداول أسهمها حاليًا بسعر 77.20 دولار، بانخفاض 28.18٪ هذا العام. لديها ربحية السهم (TTM) بقيمة 3.49 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) بقيمة 22.36 مع دفع عائد توزيعات بنسبة 1.90٪.

بالنسبة للنتائج المالية للعام المالي 2025 للربع المنتهي في 31 أغسطس 2024، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 11.6 مليار دولار، بانخفاض 10٪ على أساس سنوي. كما انخفض صافي الدخل بنسبة 28٪ إلى 1.1 مليار دولار. بينما عانت Nike في السنوات الأخيرة من تباطؤ الطلب المستهلك، لا تزال تحتفظ بحصة سوقية قدرها 40٪ في صناعة الملابس الرياضية.

في الوقت نفسه، يبلغ النقد وما يعادله والاستثمارات قصيرة الأجل 10.3 مليار دولار، بزيادة حوالي 1.5 مليار دولار عن العام الماضي. استمرت العوائد للمساهمين في الارتفاع، حيث تم دفع 558 مليون دولار كأرباح، بينما تم إنفاق 1.2 مليار دولار على إعادة شراء الأسهم.

الخلاصة

التكنولوجيا هي القطاع الأسرع نموًا، تؤثر على كل جانب تقريبًا من حياتنا، بما في ذلك خزانة ملابسنا. ومع ذلك، لا تزال حلول تخزين الطاقة في المنسوجات القابلة للتمدد والمرنة غير مطورة بشكل كافٍ في معظم أنظمة e‑textile بسبب الأداء غير الكافي للمواد والتقنيات المتاحة حاليًا.

مع استمرار البحث والابتكار، قد نرى أخيرًا الملابس الذكية تتحقق كواقع. هنا، تقدم المادة العجيبة MXene وعدًا كبيرًا بفضل تعدد استخدامها، حيث يمكنها ليس فقط جعل e‑textiles ممكنة بل أيضًا لديها القدرة على مواجهة احتياجات الطاقة المستقبلية.

انقر هنا لتتعرف على كيفية لعب المستشعرات الكهروستاتيكية دورًا رئيسيًا في الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي.