Energi
Smart stof omdanner varme til elektricitet
Forestil dig tøj, der overvåger din temperatur, sporer din aktivitet eller holder dig varm helt af sig selv uden at skulle bruge en ekstern strømkilde.
Nå, alt dette og mere er hurtigt ved at blive en realitet takket være al den forskning og udvikling, der foregår i krydsfeltet mellem teknologi og tøj.
Teknologisk fremskridt har transformeret vores liv ved at gøre vores telefoner og husholdningsapparater smartere. Nu bliver selv vores tøj smart, hvilket åbner muligheder, der baner vejen for en spændende og mere bæredygtig fremtid.
Det globale marked for smarte tekstiler er allerede vurderet til 4,1 milliarder $ og forventes at stige til 24,5 milliarder $ i 2032. Interessant nok udgør energihøstning i øjeblikket den største andel af dette marked, ifølge Markets and Markets.
Energihøstning omdanner omgivende energi til elektrisk energi for at drive autonome elektroniske enheder. Denne energi kan høstes fra forskellige kilder, herunder mekanisk og termisk. For at skabe energihøstende tekstiler tilføjes aktive materialer typisk til tekstilens overflade eller væves eller broderes ind i den.
Sådanne smarte stoffer kan potentielt anvendes som et alternativ til batterier, som kræver opladning eller periodisk udskiftning, fordi de kun indeholder en begrænset mængde energi. I bærbare tekstilapplikationer har batterier en tendens til at være stive, klodsede genstande, der skal fjernes før vask, og derfor har brug for forbedring.
Selvom sektoren stadig er i en relativt tidlig fase, vokser den hurtigt, drevet af en kombination af faktorer, herunder teknologiske fremskridt, design, forbrugerefterspørgsel, miniaturisering og regeringspolitikker.
Lad os nu se på de spændende innovationer i sektoren og den bogstavelige kraft i det tøj, vi bærer!
Smart stof til at omdanne kropsvarme til elektricitet
En af de mest nylige og elektrificerende udviklinger blev gjort af forskere fra University of Waterloo i samarbejde med en førende institution inden for tekstilvidenskab og -ingeniørkunst ved Jiangnan University, som skabte et smart stof, der omdanner termisk energi fra kroppen og sollys til elektrisk strøm.
Dette smarte stof har evnen til at generere strøm, observere sundhedsmetriker og spore fysisk aktivitet.
Disse sensorer gør det muligt for stoffet at opdage temperaturændringer og overvåge tryk, stress og kemisk sammensætning.
En lovende anvendelse af dette stof er smarte ansigtsmasker, der kan spore temperaturen og åndedrætsfrekvensen samt opdage kemikalier for at hjælpe med at identificere tilstande som lungekræft og vira. Ifølge Yuning Li, direktør for Printable Electronic Materials Lab på Waterloo og professor i afdelingen for kemisk ingeniørkunst:
“Vi har udviklet et stofmateriale med multifunktionelle sensorkapaciteter og selvforsynende potentiale, som bringer os tættere på praktiske anvendelser af smarte stoffer.”
Stoffet, som teamet har designet, er fleksibelt, MXene-baseret, termoelektrisk og kan præcist bestemme belastningsstimuli og temperatur. For at opnå dette udviklede teamet et lag af klæbende polydopamin (PDA) på overfladen af nylonstoffet, hvilket lettede MXene-tilhæftningen gennem hydrogenbindinger.
MXene har tiltrukket stor opmærksomhed på grund af sin sjældne kombination af egenskaber som lagdelt struktur, fleksibilitet, stor overfladeareal, elektrisk og metallisk ledningsevne, biokompatibilitet, hydrofilicitet, størrelsestunabilitet og rig overfladem kemi. Studiet bemærkede:
“Det resulterende MXene-baserede termoelektriske stof udviser fremragende temperaturdetekteringskapacitet og cyklisk stabilitet, samtidig med at det leverer fremragende følsomhed, hurtig reaktion (60 ms) og bemærkelsesværdig holdbarhed i belastningsmåling (3200 cyklusser).”
Det nye stof er ikke kun mere omkostningseffektivt, holdbart og stabilt end andre stoffer på markedet, men i modsætning til de nuværende bærbare enheder, der kræver hyppig opladning, kan dette fungere uden at kræve en ekstern strømkilde. På denne måde demonstrerer forskningen det enorme potentiale ved at integrere ledende polymerer og MXene med moderne stofteknologi for udviklingen af smarte stoffer.
Med henvisning til den forskellige fremgang inden for teknologi, herunder AI, som udvikler sig hurtigt for at tilbyde avanceret signalbehandling til sundhedsovervågning og bevarelse af fødevarer og lægemidler, argumenterede Li, at alle disse fremskridt er afhængige af ‘omfattende dataindsamling, som traditionelle sensorer—ofte omfangsrige, dyre og uhåndterlige—ikke kan opnå.’ Dette gør trykte sensorer, indlejret i smarte stoffer, ideelle til kontinuerlig dataindsamling og overvågning, tilføjede Li.
Mens dette innovative stof markerer betydelig fremgang i at gøre disse anvendelser mulige, vil forskerne nu fokusere på yderligere at forbedre stoffets kapaciteter og integrere det med elektroniske systemer. En smartphone-app kan også blive en del af denne fremtidige udvikling for at spore og overføre data fra stoffet til sundhedsprofessionelle for realtids, ikke-invasiv sundhedsovervågning.
Banebrydende stoffer for fremtiden
Fremskridt inden for smart tøj har foregået hurtigt i nogen tid nu. I 2016 skabte forskere fra Georgia Institute of Technology i Atlanta et mikro-kabel strømstof, der kunne høste energi fra sollys og bevægelse.
Til dette vævede forskerne tråd med tynde, fiberbaserede solceller og triboelektriske nanogeneratorer. Det resulterende smarte stof havde et enkelt lag på 320 μm og kunne integreres i telte, gardiner og forskellige beklædningsgenstande. Ifølge undersøgelsen kunne tekstilet direkte oplade en mobiltelefon og kontinuerligt drive et elektronisk ur.
Forskere fra NTU Singapore udviklede også med succes et ‘stof’, der omdanner kropsbevægelse til elektricitet. For at skabe dette strækbare og vandtætte stof brugte forskerne en polymer, der omdannede mekanisk kraft, såsom tryk eller klemning, til elektrisk energi. Stoffet har et grundlag af strækbart spandex og er også integreret med et gummilignende materiale, der gør det fleksibelt, stærkt og vandtæt.
I et eksperiment demonstrerede teamet, at bankning på et lille stykke af dette stof producerede elektrisk energi, som effektivt kunne lyse op for hundrede LED’er. Desuden påvirkede vask, krølning eller foldning af stoffet ikke ydeevnen negativt og kunne opretholde stabil elektrisk output i op til fem måneder.
“Vi tror, det kan væves ind i t-shirts eller integreres i såles på sko for at indsamle energi fra kroppens mindste bevægelser og lede elektricitet til mobile enheder.”
– Studieleder Lee Pooi See, materialvidenskabsmand og NTU associate provost professor
Selvom smarte stoffer er genstand for meget forskning og udvikling, forbliver deres omkostningseffektivitet en stor udfordring. Deres manglende praktisk anvendelighed kan også til tider være et problem.
For at løse disse problemer har forskere udviklet næste generations smarte tekstiler, der kan produceres billigt ved at bruge de samme maskiner som i konventionelt tøj. Forskerne demonstrerede først, at belægning af fibre med materialer, der kan modstå strækning, kan være kompatibel med konventionelle væveprocesser. Nu kan smarte tekstiler også fremstilles ved hjælp af automatiserede processer, uden begrænsninger på størrelse eller form.
Dette er kun begyndelsen, da al denne interesse for smarte tekstiler fører til mange andre interessante innovationer. For eksempel har denne fremgang også ført til udviklingen af en bærbar enhed, der kan indlejres i stof eller bæres som en jakke. Den kan kamuflere bæreren fra varmedetektorer, såsom natkikkerter, uanset vejret.
Mens enhedens overflade hurtigt varmes op eller køles ned for at matche omgivelsestemperaturen, skjuler den bærerens kropsvarme, men indersiden forbliver på samme temperatur som menneskelig hud.
Samtidig udviklede forskere ved National University of Singapore en fugt-drevet elektricitetsgenereringsenhed (MEG) ved brug af stof, havsalt, carbonblæk og en speciel vandabsorberende gel. Ved at holde den ene ende af stoffet altid våd og den anden tør, genererede det carbonbelagte stof en elektrisk strøm med kapacitet til at producere elektricitet i over 150 timer. Det fungerede i bund og grund som et batteri og leverede højere elektrisk output end et konventionelt AA-batteri, hvilket viser potentialet til at drive hverdags-elektronik.
MEG-enhedens koncept er bygget på evnen hos forskellige materialer til at generere elektricitet fra interaktionen med fugt i luften. Dette demonstrerer dens egnethed til forskellige praktiske anvendelser, såsom bærbar elektronik og informationslagringsenheder.
Ingeniører har også lavet transistorer og elektroniske enheder af tråd. En sådan forskning involverede vævning af tynde tråde i stof for at skabe elektroniske enheder, der kan bæres på huden eller implanteres kirurgisk til diagnostisk overvågning.
De første trådbaserede transistorer (TBT’er) blev kombineret med trådbaserede sensorer for at muliggøre skabelsen af fuldstændig fleksible, multiplexede enheder. TBT’en her involverede belægning af en linnedtråd med kulstofnanorør for at skabe en halvlederoverflade, som elektroner kan bevæge sig over, og derefter tilknytning til to tynde guldfibre, hvoraf den ene var forbundet med en elektrolyt-infunderet gel.
Ifølge studiets forfatter Sameer Sonkusale, professor i elektroteknik og datateknik ved Tufts University School of Engineering:
“Der er mange medicinske anvendelser, hvor realtidsmåling af biomarkører kan være vigtig for behandling af sygdomme og overvågning af patienters sundhed. Evnen til fuldt at integrere en blød og bøjeligt diagnostisk overvågningsenhed, som patienten næsten ikke bemærker, kan være meget kraftfuld.”
Intelligente stoffer til tilpasning til skiftende temperaturer
En anden dimension af smarte tekstiler, der udforskes, er temperatur-tilpassende stof, som øger energieffektiviteten ved at reducere behovet for strømforsynede opvarmnings- eller kølesystemer.
I denne sammenhæng introducerer ny forskning fra Hong Kong Polytechnic University, offentliggjort i denne uge, åndbart og termisk isoleret blødt robotisk tøj, der automatisk kan tilpasse sig skiftende omgivelsestemperaturer og hjælper med at sikre arbejdstageres sikkerhed i varme miljøer.
Interessant forskning fra American Chemical Society for nogle år siden involverede udviklingen af et materiale, der køler bæreren uden brug af elektricitet ved at overføre varme og tillade fugt at fordampe fra huden.
Da aircondition og andre kølemetoder står for en betydelig del af elforbruget i USA, tog forskerne en målrettet tilgang ved at køle en persons krop i stedet for et helt rum.
Selvom tøj og tekstiler allerede er designet til netop dette, har de fleste høje omkostninger, dårlig kølekapacitet og stort elforbrug. Så forskerne fremstillede det nye materiale ved elektrospinning af en polymer, specifikt en vandafvisende polymer, og et termisk ledende fyldstof i nanofibre membraner.
Disse membraner havde tilstrækkeligt store porer til at tillade sved at fordampe fra huden og luft at cirkulere, mens de afviste vand udefra. Undersøgelsen bemærkede, at ud over personlig køling kunne membranen også være nyttig til afsaltning af havvand, indsamling af solenergi og termisk styring af elektroniske enheder.
Fra American Chemical Society kom også et nyt tekstil, der ikke kun holder dig kølig om sommeren, men også varm om vinteren, hvilket gør det unikt i denne henseende. Selvom smarte tekstiler er kendt for at varme eller køle bæreren, er stof, der kan gøre begge dele, ikke særlig almindeligt. Dette stærke, men komfortable stof kræver heller ingen energitilførsel.
For at skabe dette smarte stof frysespinne chitosan, som kommer fra en skaldyrs ydre skelet, og silke til farvede fibre med porøse mikrostrukturer, som derefter fyldes med en faseændrende polymer kaldet polyethylen glycol (PEG). Tråden blev belagt med polydimethylsiloxan, så flydende PEG, som absorberer og frigiver termisk energi, ikke lækker ud.
Forskerne testede stoffet, som viste sig at være fleksibelt, stærkt og vandafvisende, ved at væve det ind i et stykke stof, der derefter blev indarbejdet i en polyesterhandske. Når den blev båret af en person og placeret i et varmt kammer (122°F), absorberede den faste PEG varmen og smeltede til en væske, som afkølede huden. Omvendt, når den blev udsat for kulde (50°F), størknede PEG’en, frigav varme og opvarmede huden.
Ifølge forskerne kan stoffet skaleres op til masseproduktion, fordi det er kompatibelt med den eksisterende tekstilindustri.
Klik her for at lære om smarte tøj til bevægelsesfangst, der kan ændre sport og fysioterapi.
Virksomheder involveret i energihøstende smarte stoffer
Nu skal vi se på virksomheder, der innoverer inden for området smarte stoffer:
#1. Adidas
Virksomheden udgav for ti år siden det første par af sine smarte sko. Skoene havde en sensor, mikroprocessor, elektrisk motor og smart elektronisk tekstilmateriale.
I 2021 afslørede Adidas sin nye tekstilinnovation, STRUNG, som beskrives som en brancheførste tekstil- og fremstillingsproces. Denne innovation gør det muligt for Adidas at bygge og teste forskellige strukturer, før den valgte design sendes til STRUNG-robotten. Dette produktkoncept er fuldstændig datadrevet fodtøj til en specifik løberprofil.
Adidas har en markedsværdi på 43 milliarder $ og deres aktier handles til 119,58 $, en stigning på 16,74 % år-til-dato. Deres EPS (TTM) er -0,37, og deres P/E (TTM) er -325, mens udbytteafkastet er 0,32 %, ifølge CNBC. For Q2 2024 rapporterede det tyske sportsbeklædningsfirma en omsætning på 5,82 milliarder €, et nettoresultat på 196,0 millioner € og en profitmargin på 3,4 %, hvilket var en stigning fra 1,6 % i 2Q23.
#2. DuPont De Nemours
I verden af smart tøj har DuPont lanceret strækbare elektroniske forbindelser via Intexar™. Denne smart tøjteknologi omdanner almindelige stoffer til aktive og intelligente beklædningsgenstande, der leverer kritiske biometriske data såsom hjertefrekvens, åndedrætsfrekvens og muskelspænding.
DuPont har en markedsværdi på 33,47 milliarder $ og deres aktier handles til 80,19 $, en stigning på 4,22 % år-til-dato. De har en EPS (TTM) på 0,72 og en P/E (TTM) på 111,16, mens udbytteafkastet er 1,90 %, ifølge CNBC. For Q2 2024 rapporterede virksomheden en 2 % stigning i nettoomsætning til 3,2 milliarder $ og justeret fri pengestrøm, der steg 53 % til 425 millioner $.
(DD )
Andre fremtrædende navne, der arbejder med smart tøj, inkluderer den britiske Pireta, som har udviklet en unik additiv proces, der tilføjer ledningsevne til stoffer uden at påvirke beklædningsgenstandens ydeevne eller drapering. Derudover er der Collebaks Solar Charged jakke, der absorberer lys i løbet af dagen og udsender det om natten. Xenomas e-skin er derimod en smart skjorte indlejret med sensorer til at overvåge kropsbevægelser og fysiologiske data. OMSignal har bio-sensing beklædning, der bruger energihøstende tekstiler til at drive sensorer indlejret i stoffet for at overvåge hjertefrekvens, vejrtrækning og andre vitale tegn.
Applied Materials, Nike, SolarEdge Technologies, Smartex og Sensoria arbejder også inden for dette område.
I Europa har flere virksomheder samlet sig for at lancere GRAPHERGIA-projektet, der har til formål at transformere måden, energi udnyttes i tekstiler og batterisystemer på. Projektet startede sent sidste år for at bane vejen for smarte tekstiler, der tilpasser sig kroppen og oplader sig selv.
“Vi forestiller os en verden, hvor dit tøj gør mere end blot at se godt ud – det driver dine enheder, fungerer som en sensor og forbinder dig problemfrit til Internet of Things (IoT).”
– Prof. Spyros Yannopoulos, projektkoordinator for GRAPHERGIA
Konklusion
Alle disse spændende innovationer, vi har diskuteret ovenfor, gør mode til en måde ikke kun at udstråle magt i udseendet, men også bogstaveligt talt at generere energi. Ved at integrere tekstiler med energihøstere kan vi også have miljøvenlige, udbredte og bæredygtige bærbare energiløsninger.
Energieffektive stoffer fremstår tydeligt som fremtiden for mode, og åbner op for en helt ny verden af bærbar teknologi. Den eneste grænse her er vores fantasi.
