Trådløst Opladede Smarte Tøj Nu Muligt med MXene‑ink Gennembrud

Teknologiske fremskridt har gjort alt smart i dag, fra vores telefoner, køleskabe, fjernsyn, ure, cykler, biler og tegnebøger til ovne, briller, dørklokker, termostater og tandbørster.

Endnu en ting, der bliver smart, og som du måske ikke havde forventet, er dit tøj. Det er rigtigt! Selv beklædning og tekstiler bliver smarte. Forestil dig tekstiler, der kan mærke og reagere på din temperatur, bevægelse og tryk.

Tekstilers udbredelse samt deres store overfladeareal og nærhed til brugerne gør integration af funktionalitet i dem til et lovende foretagende.

Selvom mange topmodebrands har lovet dette, er smarte tøj med sensorer og næste generations tekstiler endnu ikke en fast del af vores daglige liv. Dette skyldes, at tekstilbaseret elektronik eller e‑tekstiler kræver strømkilder på tekstilen, hvilket kan påvirke brugerkomforten negativt.

Som alternativ er der valgt en energihøstningsmetode på tøjet. Fotovoltaiske enheder er eksempler på enheder, der opnår rimelig output, men med relativt lav spænding. De har også komplicerede fremstillingsmetoder og kræver lys for at levere strøm. Piezoelektrisk er en anden, som genererer en betydelig spænding, men leverer strøm i mikroampere‑området.

Her kan trådløs opladning tilbyde betydelige fordele, og forskere vender sig mod MXenes og integrerer dem direkte i tekstiler.

For at hjælpe med at gøre e‑tekstiler til en del af vores garderober, har forskere fra Drexel University samarbejdet med Accenture Labs i Californien om at bygge et fuldt tekstil‑energigrid, der kan oplades trådløst.

I en detaljeret gennemgang af processen og levedygtigheden af at bygge et grid, den seneste undersøgelse, støttet af National Institutes of Health, rapporterede brug af blæk bestående af MXene til at printe på ikke‑vævede bomulds‑tekstiler.

Denne udskrivning kan udføres nemt ved hjælp af direkte trykmetoder, og blækket kan tørres ved stuetemperatur og påføres tekstiler.

Det på‑tøj energigrid fra Drexel University kan drive virkelige elektroniske enheder, herunder en sEMG‑sensor, og overføre data i realtid. Teamet skabte også en trådløs Joule‑varmer, som blev direkte drevet af deres MXene‑spole.

MXene: En 2D Nanomateriale med Uendelige Muligheder

Skabt på Drexel selv er MXene en type nanomateriale, der ikke kun er yderst ledende, men også holdbart nok til at modstå vask, strækning og foldning, som tøj skal udholde.

Ud over sin naturlige ledningsevne er MXene uigennemtrængeligt for elektromagnetisk stråling og kan dispergere i vand som en stabil kolloidal opløsning. Dette muliggør nem belægning af tekstiler med MXene uden behov for kemiske tilsætningsstoffer. MXene udviser også super‑superkapacitans og viser lovende egenskaber i sensorer. Disse nanoflader kan placeres hvor som helst og på næsten enhver overflade.

Alle disse egenskaber giver MXene en klar fordel i forhold til andre materialer og gør det til en ideel kandidat til integration i tekstiler for at tilføre funktionalitet samt generere og lagre elektrisk energi. Som Drexel University bemærkede:

“Mulighederne for MXenes er uendelige.”

For eksempel har forskere udviklet en skalerbar strategi til at fremstille højtydende film af titaniumcarbid‑MXene‑flader, som har lovende anvendelser inden for rumfart, biomedicin og fleksible elektroniske enheder. Andre steder har videnskabsfolk opdaget p‑type egenskaber i et nyt MXene‑materiale for at fremme dets potentiale inden for nanoteknologi. Endnu et team låser op for MXenes potentiale i katalyse for at lette brugen af ammoniak som en hydrogen‑bærer til vedvarende energilagring.

Det var faktisk for mere end et årti siden, at forskere fra Drexel’s College of Engineering, Department of Materials Science and Engineering, opdagede denne familie af 2D‑karbider eller nitrider. Kun få atomer tykke, viste materialets struktur enormt potentiale med hensyn til egenskaber og anvendelse.

Der findes ikke kun én MXene; der er mange forskellige, med endnu flere mulige varianter.

“Himlen er virkelig grænsen.”

– Yury Gogotsi, professor ved Drexel’s College of Engineering og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute, for år tilbage

Derefter begyndte forskerne at undersøge muligheden for at tilpasse MXene som en belægning, der kan give en bred vifte af materialer dens ekstraordinære egenskaber.

Nu, med den seneste proof‑of‑concept, har universitetet gjort endnu en stor udvikling, hvilket er et stort skridt for bærbar teknologi, der i øjeblikket er begrænset af brugen af klodsede, stive batterier, som ikke er fuldt integreret i tøjet.

Om hvordan klodsede energiforsyninger, der kræver stive komponenter, ikke er ideelle, forklarede studiets leder, Gogotsi, at de simpelthen er ubehagelige og påtrængende for bæreren.

Selvom e‑tekstiler kan tilsluttes stikkontakten, begrænser direkte strøm bevægelse. Han tilføjede:

“(De) har også en tendens til at fejle ved grænsefladen mellem den hårde elektronik og den bløde tekstil over tid.”

Disse grænseflader kan reducere brugerkomforten og er tilbøjelige til mekanisk svigt. Så er der også problemet med vaskbarhed for e‑tekstiler, hvilket er ret svært at håndtere.

Så printede Drexel‑forskerteamet tekstil‑gridet på et fleksibelt, letvægts bomulds‑underlag, som kun var en lille patch‑størrelse.

Det indeholder desuden en trykt resonator‑spole, kaldet en MX‑spole, som omdanner elektromagnetiske bølger til energi for at muliggøre trådløs opladning. Der er også tre tekstil‑superkapacitanter, der lagrer energi og bruges til at drive enheder.

Klik her for at lære om stoffet, der kan omdanne varme til elektricitet.

Et Superkapacitor‑‘Patch’ til Energilagring

Kilde: Drexel University

Efter at have studeret holdbarheden, elektrisk ledningsevne og energilagringskapacitet af MXene‑funktionaliserede tekstiler, som ikke var optimeret til at drive elektronik ud over passive enheder som LED‑lys, udviklede Drexel og Accenture Labs disse superkapacitanter sidste år.

På det tidspunkt rapporterede teamet, at superkapacitoren kunne oplades på blot få minutter og derefter drive en temperatur‑sensor og radiokommunikation af data i omkring to timer.

Gogotsi, som var medforfatter til undersøgelsen, bemærkede også på det tidspunkt, at for fuldt at integrere teknologi i stof, skal vi også kunne integrere strømkilden sømløst.

“Vores opfindelse viser vejen frem for tekstil‑energilagringsenheder.”

– Gogotsi

Den lette vedhæftning af MXene til stoffet gør, at Drexels superkapacitor kan vise høj energitæthed og understøtte funktionelle anvendelser, hvilket er nødvendigt for at implementere tekstil‑baseret energilagring i virkelige anvendelser.

MXene‑tekstil superkapacitor‑patchen blev designet med målet om at maksimere energilagringskapaciteten ved brug af minimal mængde materiale og plads. På denne måde reducerede den de samlede produktionsomkostninger og samtidig bevarede tøjets fleksibilitet og bærbarhed.

For at skabe superkapacitoren blev små stykker af vævet bomulds‑tekstil dyppet i en MXene‑opløsning. Derefter blev de lagdelt på en lithiumchlorid‑elektrolytgeler. Hver superkapacitancelle har to tekstillag, som er belagt med MXene.

For at have et patch, der kan drive enheder, blev fem celler stablet med et areal på 25 kvadratcentimeter for at skabe en strømpakke, der kan oplades til 6 volt. Cellerne blev også vakuumforseglet for at forhindre ydeevnedegeneration.

Superkapacitoren fra teamet var i stand til at drive en Arduino Pro Mini 3,3 V mikrokontroller, hvilket var en af de højeste samlede effektudgange nogensinde registreret for en tekstil‑energienhed.

Mikrokontrolleren kunne også overføre temperatur trådløst hver 30. sekund i 96 minutter. Denne ydeevne blev opretholdt konsekvent i over 20 dage.

Muliggørelse af Trådløs Opladning i Tekstiler

Efter at have skabt energilagringsenheden, dvs. en superkapacitor, som leverer energi hurtigere end et batteri, begyndte teamet at arbejde på tekstil‑gridet, som inkluderede en MX‑spole og tre tekstil‑superkapacitanter.

Teamet demonstrerede systemets effektivitet i at drive forskellige e‑tekstil‑anvendelser. For eksempel kunne det udviklede grid trådløst oplade ved 3,6 volt, hvilket er nok til at drive bærbare sensorer såvel som armbåndsure og regnemaskiner. Ud over små enheder havde gridet kapacitet til endda at drive digitale kredsløb i computere.

Ved test af gridet med små elektroniske enheder blev det fundet, at ved kun 15 minutters opladning kunne gridet generere nok energi til at drive små enheder i over 90 minutter.

Derudover, efter at have gennemgået en omfattende vaske‑ og bøjningstest for at simulere slid på almindeligt tøj, fandt forskerne, at gridets ydeevne kun marginalt blev reduceret.

Ledet af Flavia Vitale, PhD, lektor i neurologi, testede samarbejdspartnere fra University of Pennsylvania også det til trådløse MXene‑baserede biosensor‑elektroder kaldet MXtrodes, som overvåger muskelbevægelse.

Udover på‑tøj‑applikationer, der kræver energilagring, viste teamet brugsscenarier, der måske ikke behøver energilagring, som “situations med relativt stillesiddende brugere,” sagde Alex Inman, PhD, forskningsassistent hos Gogotsi i A.J. Drexel Nanomaterials Institute.

I denne henseende brugte teamet systemet til at drive et standard array af temperatur‑ og fugtighedssensorer sammen med en mikrokontroller for at udsende de indsamlede data i realtid. En trådløs opladning på blot en halv time drev den energikrævende funktion af realtids‑broadcast fra sensorerne i 13 minutter.

MX‑spolen blev desuden brugt til at drive et trykt, på‑tekstil opvarmnings­element, en Joule‑varmer. Den genererede en temperaturstigning på omkring 4 grader Celsius som et proof‑of‑concept. Ifølge Gogotsi:

“Mange forskellige teknologier kunne drives af trådløs opladning. Det vigtigste at overveje ved valg af en anvendelse er, at den skal give mening for en bærbar applikation.”

Mens biologiske sensorer, som fremtiden for sundhedspleje, kan integreres direkte i tekstiler for at øge datakvaliteten og pålideligheden samt forbedre brugerkomforten, udtalte Gogotsi, at deres forskning viser, at et tekstil‑baseret strømgitter kan drive et vilkårligt antal perifere enheder.

Fra bærbare haptik‑løsninger til AR/VR‑applikationer som underholdning og træning til fiber‑baserede LED‑lys til mode eller jobsikkerhed og styring af ekstern elektronik, har deres tekstil‑baserede strømgitter demonstreret forskellige potentielle anvendelsesområder.

Selvom det er en stor præstation, er yderligere arbejde stadig nødvendigt for at optimere designet for at skabe resonante egenskaber, og andre materialer kan også tilføjes for at øge effektiviteten. Fremadrettet vil Drexel‑forskerne fokusere på at skalere systemet op uden at begrænse dets evne til at integreres i tekstiler eller påvirke ydeevnen negativt.

Alt i alt kan MXene‑materialer, ifølge Gogotsi og Inman, spille en vigtig rolle i at omdanne forskellige teknologier til tekstilformer.

“Vi producerer nok strøm fra den trådløse opladning til at drive mange forskellige anvendelser, så de næste skridt handler om integration. En stor måde, MXene kan hjælpe med, er, at det kan bruges til mange af disse funktioner – ledende spor, antenner og sensorer.”

– Inman

Virksomheder, der er Positioneret til at Drage Nytte af e‑Tekstiler, der Bliver Virkelighed

Smart tøj er et voksende marked, anslået til i øjeblikket at være 5,16 milliarder dollars, og det er forventet at vokse med en CAGR på 26,2 % fra 2025 til 2030. Med et stigende fokus på sundhed og fitness blandt brugerne kan teknologigiganter som Google (GOOGL ) og Apple (AAPL ) har skabt bærbar teknologi og kan potentielt drage fordel af e‑tekstiler også.

Tilbage i 2019 indgik Levi (LEVI ) et partnerskab med Google for at lancere sin smarte Trucker‑jakke. Den havde Googles Jacquard‑teknologi indbygget, som gør det muligt at bruge en bestemt sektion af stoffet til at styre mobiltelefoner.

MXene‑baserede tekstiler kan også være værdifulde i den medicinske verden, hvor virksomheder som Medtronic (MDT) kan bruge dem til at give komfort og sikkerhed.

Lad os nu se på to virksomheder, der virkelig kan drage fordel af de igangværende fremskridt inden for smart tøj.

1. Vuzix Corporation

Smart tøj har et stort potentiale for anvendelse og vækst inden for virtual reality (VR) og augmented reality (AR) industrier. Det kan hjælpe med at udviske grænserne mellem den fysiske og den digitale verden gennem sensoriske signaler som haptisk feedback, hvilket skaber mere immersive oplevelser for brugeren.

Vuzix er en leverandør af bærbar AR‑ og VR‑displayteknologi. Ved at integrere MXene‑baserede e‑tekstiler i deres wearables kan Vuzix markant forbedre brugeroplevelsen ved at fjerne eksterne batteripakker uden at begrænse brugerens bevægelse.

Hvis vi ser på dens markedspræstation, er aktierne i det $76,2 millioner markedsværdi‑selskab faldet 44,36 % i år, da de handles til $1,22 på tidspunktet for skrivning. Det har en EPS (TTM) på -1,26 og en P/E (TTM) på -0,92.

For andet kvartal 2024 rapporterede virksomheden en nedgang på 77 % i sine samlede indtægter til $1,1 millioner sammenlignet med $4,7 millioner i 2Q23. Dette fald skyldtes lavere produktsalg, især af M400 smart glasses.

Det brutto‑tab for perioden var $0,3 millioner, som var resultatet af lavere indtægter, der ikke kunne dække virksomhedens faste produktionsomkostninger. Forskning‑ og udviklingsomkostningerne var derimod $2,4 millioner. Pr. 30. juni 2024 havde Vuzix $9,9 millioner i likvide midler og tilsvarende, mens den samlede arbejdskapital var $22,1 millioner.

2. Nike

Denne tøjgigant har i nogen tid udforsket smart tøj, og integration af MXene‑baserede trådløst opladbare beklædningsgenstande kunne hjælpe Nike med at udvikle avanceret sportstøj, der kan spore biometriske data uden at påvirke brugerens funktionalitet og komfort.

For nylig præsenterede Nike Aerogami, en ny åndbar beklædnings‑teknologi med fugt‑reaktive ventiler, der åbner og lukker automatisk ved at registrere sved. Den hjælper løbere med bedre at regulere deres kropstemperatur under træning. Med sin performance‑beklædnings‑teknologi sigtede Nike mod at “skabe et produkt, der interagerer med atleternes kroppe i realtid, mens de varmer op, sveder og køler ned.”

Ser vi på den finansielle side, er Nike et $6 milliarder markedsværdi‑selskab, hvis aktier i øjeblikket handles til $77,20, ned 28,18 % i år. Det har en EPS (TTM) på 3,49 og en P/E (TTM) på 22,36, mens det betaler en udbytte‑afkast på 1,90 %.

For sine finansielle resultater for regnskabsåret 2025 for kvartalet sluttende 31. august 2024, rapporterede virksomheden en omsætning på $11,6 milliarder, et fald på 10 % år‑til‑år. Nettoresultatet faldt også 28 % til $1,1 milliarder. Selvom Nike har haft problemer i de senere år med aftagende forbruger‑efterspørgsel, har den stadig en markedsandel på 40 % i sportsbeklædnings‑industrien.

Samtidig er virksomhedens likvide beholdninger og kortfristede investeringer på $10,3 milliarder, op omkring $1,5 milliarder fra sidste år. Afkast til aktionærer fortsatte med at stige, med $558 millioner udbetalt i udbytte, mens $1,2 milliarder blev brugt på aktietilbagekøb.

Konklusion

Teknologi er den hurtigst voksende sektor, der påvirker næsten alle områder af vores liv, inklusive vores garderobe. Dog forbliver fleksible og strækbare tekstil‑energilagringsløsninger underudviklede i de fleste e‑tekstilsystemer på grund af utilstrækkelig ydeevne af de nuværende materialer og teknologier.

Med fortsat forskning og innovation kan vi endelig se smart tøj blive en realitet. Her tilbyder det fantastiske materiale MXene stort løfte med sin alsidighed, som ikke kun kan gøre e‑tekstiler mulige, men også har potentiale til at tackle fremtidige energibehov.

Klik her for at lære, hvordan triboelektriske sensorer vil spille en nøglerolle i næste generations wearables.