Drahtlos aufgeladene Smart‑Kleidung jetzt möglich dank MXene‑Tinten‑Durchbruch

Technologische Fortschritte haben heute alles intelligent gemacht, von unseren Handys, Kühlschränken, Fernsehern, Uhren, Fahrrädern, Autos und Geldbörsen bis hin zu Öfen, Brillen, Türklingeln, Thermostaten und Zahnbürsten.

Ein weiteres Gebiet, das intelligent wird und das Sie vielleicht nicht erwartet haben, ist Ihre Kleidung. Genau! Auch Kleidungsstücke und Textilien werden smart. Stellen Sie sich Textilien vor, die Ihre Temperatur, Bewegung und den Druck wahrnehmen und darauf reagieren können.

Die Allgegenwart von Textilien sowie ihre große Oberfläche und die Nähe zu den Nutzer*innen machen die Integration von Funktionalität in sie zu einem vielversprechenden Vorhaben.

Obwohl viele Top‑Mode‑Marken Versprechungen gemacht haben, sind smarte Kleidungsstücke mit Sensoren und Next‑Gen‑Textilien noch nicht zu einem regulären Teil unseres Alltags geworden. Das liegt daran, dass textilbasierte Elektronik bzw. e‑Textilien eine Stromversorgung im Textil benötigen, was den Tragekomfort negativ beeinflussen kann.

Als Alternative wurde ein Ansatz zur Energiegewinnung im Kleidungsstück gewählt. Photovoltaische Geräte sind Beispiele für Geräte, die eine akzeptable Ausgangsleistung erzielen, jedoch mit relativ niedriger Spannung. Außerdem haben sie komplizierte Fertigungsverfahren und benötigen Licht zur Stromversorgung. Piezoelektrische Systeme erzeugen ebenfalls eine signifikante Spannung, liefern jedoch Ströme im µA‑Bereich.

Hier kann das drahtlose Laden erhebliche Vorteile bieten, wobei Forschende zu MXenen greifen und diese direkt in Textilien integrieren.

Um e‑Textilien zu einem Teil unserer Garderobe zu machen, haben Forschende der Drexel University gemeinsam mit Accenture Labs in Kalifornien ein vollständiges Textil‑Energienetz aufgebaut, das drahtlos geladen werden kann.

Die Prozess‑ und Machbarkeitsdetails zum Aufbau eines Netzes beschreibt die neueste Studie, unterstützt vom National Institutes of Health, die den Einsatz von Tinte aus MXene zum Druck auf nicht gewebten Baumwolltextilien berichtet.

Dieser Druck kann einfach mit Direktdruck‑Methoden durchgeführt werden, und die Tinte kann bei Raumtemperatur getrocknet und auf Textilien aufgebracht werden.

Das im Kleidungsstück integrierte Energienetz der Drexel University kann reale Elektronik, einschließlich eines sEMG‑Sensors, mit Strom versorgen und Daten in Echtzeit übertragen. Das Team entwickelte zudem einen drahtlosen Joule‑Heizer, der direkt von ihrer MXene‑Spule betrieben wird.

MXene: Ein 2D‑Nanomaterial mit endlosen Möglichkeiten

Am Drexel selbst entwickelt, ist MXene ein Nanomaterial, das nicht nur hochleitfähig, sondern auch robust genug ist, um die Waschen, Dehnungen und Falten zu überstehen, die Kleidung ausgesetzt ist.

Zusätzlich zu seiner natürlichen Leitfähigkeit ist MXene undurchlässig für elektromagnetische Strahlung und kann sich in Wasser als stabile kolloidale Lösung dispergieren. Das ermöglicht eine einfache Beschichtung von Textilien mit MXene, ohne chemische Zusatzstoffe zu benötigen. MXene weist zudem Super‑Superkapazität auf und zeigt Potenzial in Sensoren. Diese Nanoflocken können überall und auf fast jeder Oberfläche platziert werden.

All diese Eigenschaften verleihen MXene einen deutlichen Vorteil gegenüber anderen Materialien und machen es zu einem idealen Kandidaten für die Integration in Textilien, um Funktionalität hinzuzufügen sowie elektrische Energie zu erzeugen und zu speichern. Wie die Drexel University feststellte:

“Die Möglichkeiten für MXene sind endlos.”

Beispielsweise haben Forschende eine skalierbare Strategie entwickelt, um Hochleistungs‑Filme aus Titan‑Carbid‑MXene‑Flocken zu fertigen, die vielversprechende Anwendungen in der Luft‑ und Raumfahrt, Biomedizin und flexiblen Elektronikgeräten haben. An anderer Stelle haben Wissenschaftler p‑Typ‑Eigenschaften in einem neuen MXene‑Material entdeckt, um dessen Potenzial für Nanotechnologie‑Anwendungen voranzutreiben. Ein weiteres Team erschließt das Potenzial von MXene in der Katalyse, um die Nutzung von Ammoniak als Wasserstoffträger für erneuerbare Energiespeicherung zu erleichtern.

Vor mehr als einem Jahrzehnt entdeckten Forschende der Drexel im Department of Materials Science and Engineering der College of Engineering diese Familie von 2D‑Carbiden bzw. Nitriden. Nur wenige Atome dick, zeigte die Struktur des Materials ein enormes Potenzial hinsichtlich seiner Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten.

Es gibt nicht nur ein MXene, sondern viele verschiedene Varianten mit noch mehr möglichen Kombinationen.

“Der Himmel ist wirklich das Limit.”

– Yury Gogotsi, Professor am College of Engineering der Drexel und Direktor des A.J. Drexel Nanomaterials Institute, vor Jahren

Dann begannen die Forschenden zu untersuchen, ob MXene als Beschichtung eingesetzt werden kann, die einer breiten Palette von Materialien außergewöhnliche Eigenschaften verleiht.

Jetzt, mit dem neuesten Proof‑of‑Concept, hat die Universität eine weitere bedeutende Entwicklung erzielt, die einen großen Schritt für tragbare Technologie darstellt, die derzeit durch sperrige, starre Batterien begrenzt ist, die nicht vollständig in die Kleidung integriert sind.

In Bezug darauf, dass sperrige Energiequellen mit starren Komponenten nicht ideal sind, erklärte der Studienleiter Gogotsi, dass sie für die Träger*innen einfach unbequem und aufdringlich seien.

Während e‑Textilien an die Steckdose angeschlossen werden können, schränkt direkte Stromversorgung die Bewegung ein. Er fügte hinzu:

“(Sie) neigen außerdem dazu, an der Schnittstelle zwischen der harten Elektronik und dem weichen Textil im Laufe der Zeit zu versagen.”

Diese Schnittstellen können den Tragekomfort reduzieren und sind anfällig für mechanische Ausfälle. Dann gibt es noch das Problem der Waschbarkeit von e‑Textilien, das ziemlich schwierig zu handhaben ist.

Das Drexel‑Forschungsteam druckte daher das Textil‑Netz auf einem flexiblen, leichten Baumwollsubstrat, das nur eine kleine Patch‑Größe hatte.

Es enthält zudem eine gedruckte Resonator‑Spule, genannt MX‑Coil, die elektromagnetische Wellen in Energie umwandelt, um drahtloses Laden zu ermöglichen. Außerdem gibt es drei textile Superkondensatoren, die Energie speichern und zum Betrieb von Geräten verwendet werden.

Klicken Sie hier, um mehr über das Gewebe zu erfahren, das Wärme in Strom umwandeln kann.

Ein Superkondensator‑„Patch“ für Energiespeicherung

Source: Drexel University

Nachdem die Haltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit und Energiespeicherkapazität von MXene‑funktionalisierten Textilien untersucht worden waren, die nicht für die Stromversorgung von Elektronik über passive Geräte wie LED‑Lichter hinaus optimiert waren, entwickelten Drexel und Accenture Labs diese Superkondensatoren im letzten Jahr.

Damals berichtete das Team, dass der Superkondensator in wenigen Minuten aufgeladen werden könne und dann etwa zwei Stunden lang einen Temperatursensor und die Funkübertragung von Daten betreibe.

Gogotsi, der die Studie mitverfasste, bemerkte zudem, dass für eine vollständige Integration von Technologie in Stoffe die Stromquelle nahtlos integriert werden müsse.

“Unsere Erfindung zeigt den Weg nach vorn für textile Energiespeicher‑Geräte.”

– Gogotsi

Die leichte Haftung von MXene an dem Stoff ermöglicht es dem Superkondensator von Drexel, eine hohe Energiedichte zu zeigen und funktionale Anwendungen zu unterstützen, was für die Umsetzung von textilbasierten Energiespeichern in realen Anwendungen erforderlich ist.

Der MXene‑Textil‑Superkondensator‑Patch wurde mit dem Ziel entworfen, die Energiespeicherkapazität zu maximieren, dabei möglichst wenig Material und Platz zu benötigen. Auf diese Weise wurden die Gesamtkosten der Produktion reduziert und gleichzeitig die Flexibilität und Tragbarkeit des Kleidungsstücks erhalten.

Zur Herstellung des Superkondensators wurden kleine Stücke gewebter Baumwolltextilien in eine MXene‑Lösung getaucht. Anschließend wurde eine Schicht aus Lithiumchlorid‑Elektrolyt‑Gel darübergelegt. Jede Superkondensator‑Zelle besteht aus zwei Textilschichten, die mit MXene beschichtet sind.

Um einen Patch zu erhalten, der Geräte betreiben kann, wurden fünf Zellen mit einer Fläche von 25 cm² gestapelt, um ein Power‑Pack zu erzeugen, das bis zu 6 V aufladen kann. Die Zellen wurden zudem vakuumversiegelt, um Leistungsabfälle zu verhindern.

Der Superkondensator des Teams konnte einen Arduino Pro Mini 3,3 V Mikrocontroller betreiben, was einer der höchsten Gesamtleistungs‑Ausgaben für ein textiles Energie‑Gerät entspricht.

Der Mikrocontroller war zudem in der Lage, alle 30 Sekunden Temperaturdaten drahtlos für 96 Minuten zu übertragen. Diese Leistung blieb über mehr als 20 Tage hinweg konstant.

Ermöglichung von drahtlosem Laden in Textilien

Nachdem das Energiespeicher‑Gerät, also ein Superkondensator, entwickelt war, das Energie schneller als eine Batterie liefert, begann das Team mit dem Textil‑Netz, das eine MX‑Coil und drei textile Superkondensatoren enthielt.

Das Team demonstrierte die Wirksamkeit seines Systems beim Betrieb verschiedener e‑Textile‑Anwendungen. Beispielsweise konnte das entwickelte Netz drahtlos bei 3,6 V laden, was ausreicht, um tragbare Sensoren sowie Armbanduhren und Taschenrechner zu betreiben. Neben kleinen Geräten hatte das Netz sogar die Kapazität, digitale Schaltungen in Computern zu versorgen.

Bei Tests des Netzes mit kleinen elektronischen Geräten zeigte sich, dass bereits nach nur 15 Minuten Ladezeit genug Energie erzeugt wurde, um kleine Geräte über 90 Minuten zu betreiben.

Zusätzlich, nach einem intensiven Wasch‑ und Biegezyklus zur Simulation der Abnutzung regulärer Kleidung, stellten die Forschenden fest, dass die Leistung des Netzes kaum nachgelassen hatte.

Unter Leitung von Flavia Vitale, PhD, einer außerordentlichen Professorin für Neurologie, testeten Mitarbeitende der University of Pennsylvania das System zudem für drahtlose, MXene‑basierte Biosensor‑Elektroden, sogenannte MXtrodes, die Muskelbewegungen überwachen.

Neben Anwendungen im Kleidungsstück, die Energiespeicherung erfordern, zeigte das Team Anwendungsfälle, die keine Energiespeicherung benötigen, wie „Situationen mit relativ sitzenden Nutzer*innen“, sagte Alex Inman, PhD, Forschungsassistent bei Gogotsi am A.J. Drexel Nanomaterials Institute.

In diesem Zusammenhang nutzte das Team das System, um ein handelsübliches Array von Temperatur‑ und Feuchtigkeitssensoren zusammen mit einem Mikrocontroller zu betreiben, das die gesammelten Daten in Echtzeit übertrug. Eine drahtlose Ladung von nur einer halben Stunde versorgte die energieintensive Echtzeit‑Übertragung der Sensoren für 13 Minuten.

Die MX‑Coil wurde zudem verwendet, um ein gedrucktes, im Textil integriertes Heizelement, einen Joule‑Heizer, zu betreiben. Als Proof‑of‑Concept erzeugte er einen Temperaturanstieg von etwa 4 °C. Laut Gogotsi:

“Viele verschiedene Technologien könnten durch drahtloses Laden betrieben werden. Das Hauptkriterium bei der Auswahl einer Anwendung ist, dass sie für ein Wearable‑Produkt Sinn macht.”

Während biologische Sensoren, als Zukunft des Gesundheitswesens, direkt in Textilien integriert werden können, um die Datenqualität und -zuverlässigkeit zu erhöhen und den Tragekomfort zu verbessern, stellte Gogotsi fest, dass ihre Forschung zeigt, dass ein textilbasiertes Stromnetz jede Anzahl von Peripheriegeräten betreiben kann.

Von tragbaren Haptik‑Lösungen für AR/VR‑Anwendungen wie Unterhaltung und Training bis hin zu faserbasierten LEDs für Mode oder Arbeitssicherheit und der Steuerung externer Elektronik hat ihr textilbasiertes Stromnetz verschiedene potenzielle Anwendungsfälle demonstriert.

Obwohl dies ein großer Erfolg ist, ist weitere Arbeit nötig, um das Design zu optimieren, resonante Verhaltensweisen zu erzeugen und weitere Materialien hinzuzufügen, um die Effizienz zu steigern. Zukünftig werden die Forschenden von Drexel darauf abzielen, ihr System zu skalieren, ohne die Integration in Textilien zu begrenzen oder die Leistung zu beeinträchtigen.

Insgesamt können MXene‑Materialien laut Gogotsi und Inman eine zentrale Rolle dabei spielen, verschiedene Technologien in textile Formen zu überführen.

“Wir erzeugen genug Leistung durch das drahtlose Laden, um viele verschiedene Anwendungen zu betreiben, sodass die nächsten Schritte in der Integration liegen. Eine große Möglichkeit, wie MXene dabei helfen kann, ist, dass es für viele dieser Funktionen verwendet werden kann – leitende Spuren, Antennen und Sensoren.”

– Inman

Unternehmen, die von der Realisierung von e‑Textilien profitieren könnten

Smart‑Clothing ist ein wachsender Markt, der derzeit auf etwa 5,16 Milliarden $ geschätzt wird, und es wird prognostiziert, dass er von 2025 bis 2030 mit einer CAGR von 26,2 % wächst. Mit dem zunehmenden Fokus der Nutzer*innen auf Gesundheit und Fitness können Technologieriesen wie Google (GOOGL ) und Apple (AAPL ) tragbare Technologie entwickeln und ebenfalls von e‑Textilien profitieren.

Im Jahr 2019 ging Levi (LEVI ) eine Partnerschaft mit Google ein, um die smarte Trucker‑Jacke zu lancieren. Sie integrierte Googles Jacquard‑Technologie, die es ermöglicht, einen bestimmten Stoffabschnitt zur Steuerung von Mobiltelefonen zu nutzen.

MXene‑basierte Textilien können auch im medizinischen Bereich wertvoll sein, wo Unternehmen wie Medtronic (MDT) sie einsetzen könnten, um Komfort und Sicherheit zu erhöhen.

Nun schauen wir uns zwei Unternehmen an, die von den fortschreitenden Entwicklungen im Bereich smarter Kleidung besonders profitieren könnten.

1. Vuzix Corporation

Smart‑Clothing bietet großes Potenzial für den Einsatz und das Wachstum in den Bereichen Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Sie kann die Grenzen zwischen physischer und digitaler Welt durch sensorische Signale wie haptisches Feedback verwischen und so immersivere Erlebnisse für die Nutzer*innen schaffen.

Vuzix ist ein Anbieter von tragbarer AR‑ und VR‑Display‑Technologie. Durch die Integration von MXene‑basierten e‑Textilien in seine Wearables kann Vuzix das Nutzererlebnis erheblich verbessern, indem externe Batteriepacks eliminiert werden, ohne die Bewegungsfreiheit einzuschränken.

Betrachtet man die aktuelle Marktentwicklung, liegen die Aktien des Unternehmens mit einer Marktkapitalisierung von 76,2 Millionen $ dieses Jahres um 44,36 % im Minus und werden zum Zeitpunkt dieses Schreibens zu 1,22 $ gehandelt. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von –1,26 und ein P/E (TTM) von –0,92 auf.

Für das zweite Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Rückgang von 77 % seiner Gesamteinnahmen auf 1,1 Millionen $ gegenüber 4,7 Millionen $ im 2Q23. Dieser Rückgang resultierte aus geringeren Produktverkäufen, insbesondere der M400‑Smart‑Brille.

Der Bruttverlust für den Zeitraum betrug 0,3 Millionen $, da die geringeren Einnahmen die fixen Fertigungskosten nicht decken konnten. Die Forschungs‑ und Entwicklungskosten lagen bei 2,4 Millionen $. Zum 30. Juni 2024 verfügte Vuzix über 9,9 Millionen $ an liquiden Mitteln, während das gesamte Working‑Capital bei 22,1 Millionen $ lag.

2. Nike

Der Bekleidungsriese erkundet bereits seit einiger Zeit smarte Kleidung, und die Integration von MXene‑basierten, drahtlos ladbaren Kleidungsstücken könnte Nike dabei helfen, fortschrittliche Sportbekleidung zu entwickeln, die biometrische Daten erfasst, ohne die Funktionalität und den Komfort der Träger*innen zu beeinträchtigen.

Kürzlich stellte Nike Aerogami vor, eine neue atmungsaktive Bekleidungstechnologie mit feuchtigkeitsreaktiven Ventilen, die sich selbstständig öffnen und schließen, sobald Schweiß erkannt wird. Sie hilft Läufer*innen, ihre Körpertemperatur beim Training besser zu regulieren. Mit dieser Performance‑Bekleidungstechnologie wollte Nike „ein Produkt schaffen, das in Echtzeit mit den Körpern von Athlet*innen interagiert, während sie sich aufwärmen, schwitzen und abkühlen.“

Betrachtet man die finanzielle Lage, ist Nike ein Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 6 Milliarden $, dessen Aktien derzeit bei 77,20 $ liegen, ein Rückgang von 28,18 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 3,49 und ein P/E (TTM) von 22,36 auf und zahlt eine Dividendenrendite von 1,90 %.

Für die Finanzzahlen des Geschäftsjahres 2025, das am 31. August 2024 endete, meldete das Unternehmen einen Umsatz von 11,6 Milliarden $, ein Rückgang von 10 % gegenüber dem Vorjahr. Der Nettogewinn sank ebenfalls um 28 % auf 1,1 Milliarden $. Trotz der Schwierigkeiten in den letzten Jahren aufgrund nachlassender Verbrauchernachfrage hält Nike weiterhin einen Marktanteil von 40 % im Sportbekleidungssektor.

Gleichzeitig liegen die liquiden Mittel und kurzfristigen Investitionen bei 10,3 Milliarden $, etwa 1,5 Milliarden $ mehr als im Vorjahr. Die Ausschüttungen an Aktionär*innen stiegen weiter, mit 558 Millionen $ an Dividenden, während 1,2 Milliarden $ für Aktienrückkäufe verwendet wurden.

Fazit

Technologie ist der am schnellsten wachsende Sektor und beeinflusst fast jeden Bereich unseres Lebens, einschließlich unserer Garderobe. Flexible und dehnbare textile Energiespeicher‑Lösungen bleiben jedoch bei den meisten e‑Textile‑Systemen unterentwickelt, weil die derzeit verfügbaren Materialien und Technologien nicht ausreichend leistungsfähig sind.

Mit fortgesetzter Forschung und Innovation könnten wir endlich smarte Kleidung als Realität sehen. Das Wunder‑Material MXene bietet dabei großes Versprechen dank seiner Vielseitigkeit, die nicht nur e‑Textilien möglich macht, sondern auch das Potenzial hat, zukünftige Energiebedarfe zu bewältigen.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie triboelektrische Sensoren eine Schlüsselrolle bei nächsten‑Gen‑Wearables spielen werden.