Energie
Drahtlos geladene intelligente Kleidung jetzt möglich durch MXene-Tinten-Durchbruch
Technologische Fortschritte haben alles heute intelligent gemacht, von unseren Telefonen, Kühlschränken, Fernsehern, Uhren, Fahrrädern, Autos und Geldbörsen bis hin zu Öfen, Brillen, Türklingeln, Thermostaten und Zahnbürsten.
Ein weiteres Ding, das intelligent wird und das Sie vielleicht nicht erwartet haben, ist Ihre Kleidung. Genau! Selbst Gewebe und Textilien werden intelligent. Stellen Sie sich Textilien vor, die Ihre Temperatur, Bewegung und Druck erkennen und darauf reagieren können.
Die Allgegenwart von Textilien sowie ihre große Oberfläche und Nähe zu ihren Benutzern machen es tatsächlich zu einem vielversprechenden Vorhaben, Funktionalität in sie zu integrieren.
Während viele Top-Mode-Marken Versprechungen gemacht haben, sind intelligente Kleidung mit Sensoren und Next-Gen-Textilien noch nicht Teil unseres täglichen Lebens geworden. Dies liegt daran, dass textilelektronische oder e-Textilien auf-textile Energiequellen erfordern, die sich negativ auf den Benutzerkomfort auswirken können.
Als Alternative wurde ein auf-Gewand-Energie-Sammler-Weg eingeschlagen. Photovoltaische Geräte sind Beispiele für Geräte, die einen vernünftigen Ausgang mit relativ niedriger Spannung erzielen. Sie haben jedoch komplizierte Fertigungsmethoden und benötigen Licht, um Energie zu liefern. Piezoelektrisch ist ein weiteres, das eine signifikante Spannung erzeugt, aber Ströme im μA-Bereich liefert.
Hier kann drahtloses Laden erhebliche Vorteile bieten, und Forscher wenden sich an MXene und integrieren es direkt in Textilien.
Um e-Textilien zu einem Teil unseres Kleidungsstils zu machen, haben Forscher der Drexel University mit Accenture Labs in Kalifornien zusammengearbeitet, um ein vollständiges textile Energie-Grid zu bauen, das drahtlos geladen werden kann.
Bei der Detailbeschreibung des Prozesses und der Machbarkeit des Grids berichtete die neueste Studie, die von den National Institutes of Health unterstützt wurde, über die Verwendung von Tinte, die aus MXene besteht, um auf nicht gewebte Baumwolltextilien zu drucken.
Dieses Drucken kann mithilfe von Direktdruckmethoden leicht durchgeführt werden, und die Tinte kann bei Raumtemperatur getrocknet und auf Textilien aufgetragen werden.
Das auf-Gewand-Energie-Grid der Drexel University kann reale elektronische Geräte, einschließlich eines sEMG-Sensors, betreiben und Daten in Echtzeit übertragen. Das Team erstellte auch einen drahtlosen Joule-Heizer, der direkt von ihrer MXene-Spule betrieben wurde.
MXene: Ein 2D-Nanomaterial mit endlosen Möglichkeiten
Erstellt an der Drexel University selbst, ist MXene eine Art Nanomaterial, das nicht nur hochleitfähig ist, sondern auch robust genug, um das Waschen, Dehnen und Falten zu überstehen, das Kleidung aushalten muss.
Neben seiner natürlichen Leitfähigkeit ist MXene undurchlässig für elektromagnetische Strahlung und kann in Wasser als stabile kolloidale Lösung dispergiert werden. Dies ermöglicht es, Textilien leicht mit MXene zu beschichten, ohne chemische Zusätze benötigen. MXene zeigt auch Super-Supercapacitance und verspricht in Sensoren. Diese Nanoflakes können überall und auf fast jede Oberfläche platziert werden.
All diese Eigenschaften geben MXene einen deutlichen Vorteil gegenüber anderen Materialien und machen es zu einem idealen Kandidaten, um in Textilien zu integrieren, um Funktionalität zu erzielen und elektrische Energie zu erzeugen und zu speichern. Wie die Drexel University feststellte:
“Die Möglichkeiten für MXene sind endlos.”
Zum Beispiel haben Forscher eine skalierbare Strategie entwickelt, um Hochleistungsfilme aus Titan-Carbide-MXene-Flakes herzustellen, die vielversprechende Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin und flexiblen elektronischen Geräten haben. An anderer Stelle haben Wissenschaftler p-Typ-Eigenschaften in einem neuen MXene-Material entdeckt, um sein Potenzial für Nanotechnologie-Anwendungen zu verbessern. Ein anderes Team entschlüsselt das Potenzial von MXene in der Katalyse, um die Verwendung von Ammoniak als Wasserstoffträger für die Speicherung erneuerbarer Energie zu erleichtern.
Vor über einem Jahrzehnt entdeckten Forscher der Drexel University im College of Engineering’s Department of Materials Science and Engineering diese Familie von 2D-Carbiden oder Nitriden. Nur wenige Atome dick, zeigte die Struktur des Materials enormes Potenzial in Bezug auf seine Attribute und Verwendung.
Es gibt nicht nur ein MXene, sondern viele verschiedene, und es gibt noch viele mehr Möglichkeiten.
“Der Himmel ist wirklich die Grenze.”
– Yury Gogotsi, Professor an der Drexel University und Direktor des A.J. Drexel Nanomaterials Institute, vor einigen Jahren
Dann begannen die Forscher, die Möglichkeit zu erkunden, MXene als Beschichtung zu adaptieren, die eine Vielzahl von Materialien mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften ausstatten kann.
Jetzt, mit dem neuesten Proof-of-Concept, hat die Universität einen weiteren großen Fortschritt gemacht, der ein großer Schritt für tragbare Technologie ist, die derzeit durch den Einsatz von sperrigen, steifen Batterien begrenzt ist, die nicht vollständig in die Kleidung integriert sind.
Bei der Erörterung, wie sperrige Energiequellen, die starre Komponenten erfordern, nicht ideal sind, erklärte der Studienleiter Gogotsi, dass sie einfach unangenehm und aufdringlich für den Träger seien.
Während e-Textilien an die Wand angeschlossen werden können, behindert direktes Stromversorgen die Bewegung. Er fügte hinzu:
“(Sie) neigen auch dazu, an der Schnittstelle zwischen der harten Elektronik und dem weichen Textil über die Zeit zu versagen.”
Diese Schnittstellen können den Benutzerkomfort verringern und sind anfällig für mechanisches Versagen. Dann gibt es das Problem der Waschbarkeit von e-Textilien, das ziemlich schwierig zu handhaben ist.
Das Forscherteam der Drexel University druckte also das textile Grid auf einem flexiblen, leichten Baumwollsubstrat, das nur eine kleine Patch-Größe hatte.
Es enthält außerdem eine gedruckte Resonator-Spule, die als MX-Spule bezeichnet wird, die elektromagnetische Wellen in Energie umwandelt, um drahtloses Laden zu ermöglichen. Es gibt auch drei textile Supercapacitor, die Energie speichern und zum Betreiben von Geräten verwendet werden.
Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie ein Stoff Wärme in Elektrizität umwandelt.
Ein Supercapacitor-‘Patch’ für Energie-Speicherung
Quelle: Drexel University
Nachdem sie die Haltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und Energie-Speicherkapazität von MXene-funktionalisierten Textilien untersucht hatten, die nicht optimiert waren, um elektronische Geräte jenseits von passiven Geräten wie LED-Lampen zu betreiben, entwickelten Drexel und Accenture Labs diese Supercapacitor letztes Jahr.
Zu diesem Zeitpunkt berichtete das Team, dass der Supercapacitor in wenigen Minuten geladen werden und dann einen Temperatursensor und Funk-Kommunikation von Daten für etwa zwei Stunden betreiben konnte.
Gogotsi, der die Studie mitverfasste, sagte zu diesem Zeitpunkt auch, dass wir, um Technologie vollständig in Stoff zu integrieren, auch in der Lage sein müssen, ihre Energiequelle nahtlos zu integrieren.
“Unser Erfindung zeigt den Weg vorwärts für textile Energie-Speicher-Geräte.”
– Gogotsi
Die Leichtigkeit, mit der MXene auf dem Stoff haften bleibt, ermöglicht es Drexels Supercapacitor, eine hohe Energiedichte zu zeigen und funktionale Anwendungen zu unterstützen, was erforderlich ist, um textile Energie-Speicherung in realen Anwendungen umzusetzen.
Der MXene-Textil-Supercapacitor-Patch wurde mit dem Ziel entwickelt, die Energie-Speicherkapazität unter Verwendung minimaler Materialien und wenig Platz zu maximieren. Auf diese Weise verringerte es die gesamten Produktionskosten und bewahrte gleichzeitig die Flexibilität und Tragbarkeit des Kleidungsstücks.
Jetzt, um den Supercapacitor zu erstellen, wurden kleine Stoffstücke von gewebtem Baumwolltextil in eine MXene-Lösung getaucht. Es wurde dann auf einem Lithiumchlorid-Elektrolyt-Gel aufgetragen. Jede Supercapacitor-Zelle hat zwei textile Schichten, die mit MXene beschichtet sind.
Um einen Patch zu haben, der Geräte betreiben kann, wurden fünf Zellen mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern gestapelt, um einen Power-Pack zu erstellen, der auf 6 Volt aufladen kann. Die Zellen wurden auch vakuumversiegelt, um Leistungsverschlechterung zu verhindern.
Der Supercapacitor des Teams konnte einen Arduino Pro Mini 3,3V-Mikrocontroller betreiben, was einer der höchsten Gesamtleistungs-Ausgaben für ein textiles Energie-Gerät war.
Der Mikrocontroller konnte auch Temperaturdaten alle 30 Sekunden für 96 Minuten drahtlos übertragen. Diese Leistung wurde über 20 Tage hinweg konsistent aufrechterhalten.
Enabling Wireless Charging in Textilien
Nachdem sie das Energie-Speicher-Gerät, also den Supercapacitor, entwickelt hatten, der Energie schneller als eine Batterie liefert, begann das Team mit der Arbeit am textile Grid, das eine MX-Spule und drei textile Supercapacitor enthält.
Das Team demonstrierte die Effektivität seines Systems bei der Betreibung verschiedener e-Textil-Anwendungen. Zum Beispiel konnte das entwickelte Grid drahtlos aufladen und 3,6 Volt liefern, was ausreichend ist, um tragbare Sensoren sowie Armbanduhren und Taschenrechner zu betreiben. Neben kleinen Geräten hatte das Grid auch die Kapazität, digitale Schaltkreise in Computern zu betreiben.
Bei der Erprobung des Grids mit kleinen elektronischen Geräten stellte sich heraus, dass es durch eine 15-minütige Aufladung genug Energie erzeugen konnte, um kleine Geräte über 90 Minuten zu betreiben.
Darüber hinaus fand das Forscherteam nach einem umfangreichen Wasch- und Biegezyklus, um den Verschleiß von regulärer Kleidung zu simulieren, dass die Leistung des Grids kaum verringert wurde.
Unter der Leitung von Flavia Vitale, PhD, einer außerordentlichen Professorin für Neurologie, testeten Mitarbeiter der University of Pennsylvania es auch für drahtlose MXene-basierte Biosensor-Elektroden, die als MXtroden bezeichnet werden und Muskelbewegungen überwachen.
Neben auf-Gewand-Anwendungen, die Energie-Speicherung erfordern, zeigte das Team auch Anwendungsfälle, die möglicherweise keine Energie-Speicherung benötigen, wie “Situationen mit relativ sedentären Benutzern”, sagte Alex Inman, PhD, ein Forschungsassistent mit Gogotsi im A.J. Drexel Nanomaterials Institute.
In diesem Zusammenhang verwendete das Team das System, um eine Standard-Array von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren sowie einen Mikrocontroller zu betreiben, um die gesammelten Daten in Echtzeit zu übertragen. Eine drahtlose Aufladung von nur einer halben Stunde betrieb die energieintensive Funktion der Echtzeit-Übertragung von den Sensoren für 13 Minuten.
Die MX-Spule wurde auch verwendet, um einen gedruckten, auf-textile Heizelement, einen Joule-Heizer, zu betreiben. Es erzeugte einen Temperaturanstieg von etwa 4 Grad Celsius als Proof-of-Concept. Laut Gogotsi:
“Viele verschiedene Technologien könnten durch drahtloses Laden betrieben werden. Das Wichtigste, was man bei der Auswahl einer Anwendung berücksichtigen muss, ist, dass es für eine tragbare Anwendung sinnvoll sein muss.”
Während biologische Sensoren, als Zukunft des Gesundheitswesens, direkt in Textilien integriert werden können, um die Qualität und Zuverlässigkeit der Daten zu erhöhen und den Benutzerkomfort zu verbessern, sagte Gogotsi, dass ihre Forschung zeigt, dass ein textile-basiertes Energie-Grid jedes beliebige peripheres Gerät betreiben kann.
Von tragbaren Haptik für AR/VR-Anwendungen wie Unterhaltung und Schulung bis hin zu faserbasierten LEDs für Mode oder Arbeitssicherheit und der Steuerung externer Elektronik hat ihr textile-basiertes Energie-Grid verschiedene potenzielle Anwendungsfälle demonstriert.
Obwohl es ein großer Erfolg ist, ist weitere Arbeit noch erforderlich, um das Design zu optimieren, um resonante Verhaltensweisen zu erzeugen, und andere Materialien können auch hinzugefügt werden, um die Effizienz zu erhöhen. Wenn man voranschreitet, werden die Forscher der Drexel University sich auf die Skalierung ihres Systems konzentrieren, ohne seine Fähigkeit, in Textilien integriert zu werden, oder seine Leistung negativ zu beeinflussen.
Insgesamt kann MXene-Material, laut Gogotsi und Inman, eine wichtige Rolle bei der Umwandlung verschiedener Technologien in textile Formen spielen.
“Wir produzieren genug Energie aus dem drahtlosen Laden, um viele verschiedene Anwendungen zu betreiben, sodass der nächste Schritt darin besteht, sie zu integrieren. Eine große Möglichkeit, wie MXene dabei helfen kann, ist, dass es für viele dieser Funktionalitäten verwendet werden kann – leitfähige Spuren, Antennen und Sensoren.”
– Inman
Unternehmen, die von der Realisierung von e-Textilien profitieren können
Intelligente Kleidung ist ein wachsender Markt, der derzeit auf 5,16 Milliarden Dollar geschätzt wird und voraussichtlich von 2025 bis 2030 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 26,2 % wachsen wird. Mit einem wachsenden Fokus auf Gesundheit und Fitness unter den Benutzern haben Technologie-Riesen wie Google (GOOGL ) und Apple (AAPL ) tragbare Technologie entwickelt und können möglicherweise von e-Textilien profitieren.
Im Jahr 2019 Levi (LEVI ) mit Google zusammen, um seine intelligente Trucker-Jacke zu starten. Es hatte Googles Jacquard-Technologie integriert, die es ermöglicht, einen bestimmten Bereich des Stoffes zu verwenden, um Mobiltelefone zu steuern.
MXene-basierte Textilien können auch im medizinischen Bereich wertvoll sein, wo Unternehmen wie Medtronic (MDT) sie verwenden können, um Komfort und Sicherheit zu bieten.
Lassen Sie uns nun zwei Unternehmen betrachten, die wirklich von den laufenden Fortschritten im Bereich intelligenter Kleidung profitieren können.
1. Vuzix Corporation (VUZI )
Intelligente Kleidung hat viel Potenzial für die Verwendung und das Wachstum in den Bereichen virtuelle Realität (VR) und erweiterte Realität (AR). Es kann helfen, die Grenzen zwischen der physischen und der Online-Welt durch sensorische Hinweise wie haptisches Feedback zu verwischen und so eine immersivere Erfahrung für den Benutzer zu schaffen.
Vuzix ist ein Lieferant von tragbaren AR- und VR-Display-Technologien. Durch die Integration von MXene-basierten e-Textilien in ihre tragbaren Geräte kann Vuzix das Benutzererlebnis erheblich verbessern, indem es externe Batteriepacks eliminiert, ohne die Bewegungsfreiheit des Benutzers zu beeinträchtigen.
(VUZI )
Wenn wir uns nun die Marktleistung ansehen, sind die Aktien des 76,2-Millionen-Dollar-Unternehmens in diesem Jahr um 44,36 % gefallen, da sie bei 1,22 $ gehandelt werden. Es hat ein EPS (TTM) von -1,26 und ein P/E (TTM) von -0,92.
Für das zweite Quartal 2024 berichtete das Unternehmen einen Rückgang seiner Gesamterlöse um 77 % auf 1,1 Millionen Dollar im Vergleich zu 4,7 Millionen Dollar im 2. Quartal 2023. Dieser Rückgang war das Ergebnis geringerer Produktverkäufe, insbesondere für M400-Smart-Glasses.
Der Rohertrag für den Zeitraum betrug -0,3 Millionen Dollar, was auf geringere Umsätze zurückzuführen war, die nicht ausreichten, um die festen Fertigungskosten des Unternehmens zu decken. Forschungs- und Entwicklungsausgaben beliefen sich auf 2,4 Millionen Dollar. Zum 30. Juni 2024 verfügte Vuzix über Bargeld und Bargeldäquivalente in Höhe von 9,9 Millionen Dollar, während seine gesamte Working-Capital-Position 22,1 Millionen Dollar betrug.
2. Nike (NKE )
Dieser Mode-Riese hat bereits seit einiger Zeit intelligente Kleidung erforscht und die Integration von MXene-basiertem drahtlosem Laden könnte Nike dabei helfen, fortschrittliche Sportbekleidung zu entwickeln, die biometrische Daten verfolgen kann, ohne die Funktionalität und den Komfort des Benutzers zu beeinträchtigen.
Kürzlich präsentierte es Aerogami, eine neue atmungsaktive Bekleidungstechnologie mit feuchtigkeitsreaktiven Ventilen, die sich selbst öffnen und schließen, wenn sie Schweiß erkennen. Es hilft Läufern, ihre Körpertemperatur besser zu regulieren, wenn sie trainieren. Mit seiner Leistungs-Bekleidungstechnologie wollte Nike “ein Produkt erstellen, das in Echtzeit mit dem Körper der Athleten interagiert, während sie sich aufwärmen, schwitzen und abkühlen”.
(NKE )
Wenn wir uns nun die finanzielle Seite ansehen, ist Nike ein 6-Milliarden-Dollar-Unternehmen, dessen Aktien derzeit bei 77,20 $ gehandelt werden, was einem Rückgang von 28,18 % in diesem Jahr entspricht. Es hat ein EPS (TTM) von 3,49 und ein P/E (TTM) von 22,36, während es eine Dividendenrendite von 1,90 % zahlt.
Für seine Finanzergebnisse des ersten Quartals 2025, das am 31. August 2024 endete, berichtete das Unternehmen einen Umsatz von 11,6 Milliarden Dollar, was einem Rückgang von 10 % im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Der Nettogewinn sank um 28 % auf 1,1 Milliarden Dollar. Obwohl Nike in den letzten Jahren mit sinkender Nachfrage der Verbraucher zu kämpfen hatte, hält es immer noch einen Marktanteil von 40 % in der Sportbekleidungsindustrie.
Währenddessen belaufen sich die Bargeld- und Kurzfristige-Investitionen des Unternehmens auf 10,3 Milliarden Dollar, was etwa 1,5 Milliarden Dollar mehr ist als im Vorjahr. Die Rückzahlungen an die Aktionäre gingen weiter zurück, mit 558 Millionen Dollar, die als Dividenden ausgezahlt wurden, während 1,2 Milliarden Dollar für Aktienrückkäufe aufgewendet wurden.
Zusammenfassung
Technologie ist der am schnellsten wachsende Sektor, der fast jeden Bereich unseres Lebens beeinflusst, einschließlich unserer Garderobe. Allerdings bleiben flexible und dehnbare textile Energie-Speicher-Lösungen aufgrund der unzureichenden Leistung der derzeit verfügbaren Materialien und Technologien weiterhin unterentwickelt.
Mit weiterer Forschung und Innovation können wir vielleicht endlich intelligente Kleidung Wirklichkeit werden lassen. Hier bietet das Wundermaterial MXene großes Potenzial mit seiner Vielseitigkeit, die nicht nur e-Textilien ermöglichen, sondern auch zukünftige Energie-Anforderungen bewältigen kann.
