Älykangas muuntaa lämmön sähköksi

Kuvittele vaatteet, jotka seuraavat lämpötilaasi, kirjaavat aktiivisuutesi tai pitävät sinut lämpimänä täysin itsenäisesti ilman ulkoista virtalähdettä.

No niin, kaikki tämä ja enemmänkin on nopeasti muuttumassa todellisuudeksi kiitos tutkimuksen ja kehityksen, joka tapahtuu teknologian ja vaatteiden risteyskohdassa. 

Teknologinen kehitys on muuttanut elämäämme tekemällä puhelimemme ja kodinkoneemme älykkäämmiksi. Nyt myös vaatteemme muuttuvat älykkäiksi, avaten mahdollisuuksia, jotka raivaavat tietä jännittävälle ja kestävämmälle tulevaisuudelle.

Globaali älytekstiilimarkkina on jo arvoltaan 4,1 miljardia dollaria ja sen odotetaan kasvavan 24,5 miljardiin dollariin vuoteen 2032 mennessä. Mielenkiintoista on, että energian kerääminen kattaa tällä hetkellä suurimman osan tästä markkinasta, mukaan lukien Markets and Markets.

Energian kerääminen muuntaa ympäristön energian sähköenergiaksi autonomisten elektronisten laitteiden virtaamiseksi. Tämä energia voidaan kerätä eri lähteistä, mukaan lukien mekaaninen ja lämpöenergia. Energiankerääviä tekstiilejä valmistettaessa aktiivisia materiaaleja lisätään yleensä tekstiilin pinnalle tai kudotaan tai brodeerataan siihen. 

Tällaisia älykankaita voitaisiin mahdollisesti käyttää akkujen vaihtoehtona, jotka vaativat lataamista tai säännöllistä vaihtoa, koska ne sisältävät vain rajallisen määrän energiaa. Kannettavissa tekstiilisovelluksissa akut ovat yleensä jäykkiä, kömpelöitä esineitä, jotka on poistettava ennen pesua, ja siksi ne kaipaavat parannusta.

Vaikka sektori on vielä melko varhaisessa vaiheessa, se kasvaa nopeasti, mikä johtuu useiden tekijöiden yhdistelmästä, kuten teknologian edistysaskeleista, suunnittelusta, kuluttajakysynnästä, miniaturisaatiosta ja hallituksen politiikoista.

Nyt tarkastellaan sektorin jännittäviä innovaatioita ja kirjaimellista voimaa vaatteissa, joita käytämme!

Älykangas kehon lämmön muuntamiseksi sähköksi

Yksi viimeisimmistä ja jännittävimmistä kehityksistä toteutettiin Waterloon yliopiston tutkijoiden yhteistyössä Jiangnan-yliopiston johtavan tekstiilitieteen ja -tekniikan laitoksen kanssa, jotka loivat älykankaan, joka muuntaa kehon ja auringon lämpöenergiaa sähköenergiaksi.

Tällä älykankaalla on kyky tuottaa virtaa, tarkkailla terveysmittareita ja seurata fyysistä aktiivisuutta. Nämä anturit mahdollistavat kankaan lämpötilamuutosten havaitsemisen sekä paineen, stressin ja kemiallisen koostumuksen seurannan.

Lupaus täynnä oleva sovellus tälle kankaalle on älykkäät kasvomaskit, jotka voivat seurata lämpötilaa ja hengityksen nopeutta sekä havaita kemikaaleja auttaakseen tunnistamaan esimerkiksi keuhkosyöpää ja viruksia. Yuning Li’n, Waterloon Printable Electronic Materials Lab -laboratorion johtajan ja kemiantekniikan osaston professorin, mukaan:

“Olemme kehittäneet kankaan, jolla on monitoimisia anturitoimintoja ja itsevirtautumispotentiaalia, mikä tuo meidät lähemmäs älykankaiden käytännön sovelluksia.”

Tiimin suunnittelema kangas on joustava, MXene-pohjainen, termoelektrinen ja pystyy tarkasti määrittämään venymisärsykkeen ja lämpötilan. Tämän saavuttamiseksi tiimi kehitti tarttuvan polydopaamin (PDA) kerroksen nailonkankaan pinnalle, mikä helpotti MXenen kiinnittymistä vetysidosten kautta. 

MXenea on saanut paljon huomiota harvinaisen ominaisuuksien yhdistelmänsä vuoksi, kuten kerroksellinen rakenne, joustavuus, suuri pinta-ala, sähkö- ja metallinen johtavuus, biokompatibiliteetti, hydrofiilisuus, koon säädettävyys ja rikas pinnakemia. Tutkimus totesi:

“Tuloksena syntynyt MXene-pohjainen termoelektrinen kangas osoittaa erinomaista lämpötilan havaitsemiskykyä ja syklistä vakautta, samalla tarjoten poikkeuksellista herkkyyttä, nopeaa reagointia (60 ms) ja merkittävää kestävyyttä venymisen mittauksessa (3200 sykliä).”

Uusi kangas ei ole vain kustannustehokkaampi, kestävämpi ja vakaampi kuin markkinoilla olevat muut kankaat, vaan toisin kuin nykyiset kannettavat laitteet, jotka tarvitsevat usein lataamista, tämä voi toimia ilman ulkoista virtalähdettä. Näin tutkimus osoittaa valtavan potentiaalin yhdistää johtavia polymeereja ja MXenea nykyaikaisen tekstiiliteknologian kanssa älykankaiden kehittämiseksi.

Huomaten teknologian, mukaan lukien tekoälyn, erilaiset edistysaskeleet, jotka kehittyvät nopeasti tarjoten kehittynyttä signaalinkäsittelyä terveyden seurantaan sekä elintarvikkeiden ja lääkkeiden säilyttämiseen, Li väitti, että kaikki nämä edistysaskeleet perustuvat ‘kattavaan tiedonkeruuseen, jonka perinteiset anturit – usein kömpelöt, kalliit ja hankalat – eivät pysty saavuttamaan.’ Tämä tekee painetuista antureista, jotka on upotettu älykankaisiin, ihanteellisiksi jatkuvaan tiedonkeruuseen ja seurantaan, Li lisäsi.

Vaikka tämä innovatiivinen kangas merkitsee merkittävää edistystä näiden sovellusten toteuttamisessa, tutkijat keskittävät nyt huomionsa kankaan kykyjen edelleen parantamiseen ja sen yhdistämiseen elektronisiin järjestelmiin. Älypuhelinsovellus voi myös olla osa tätä tulevaa kehitystä, jotta kankaan tiedot voidaan seurata ja siirtää terveydenhuollon ammattilaisille reaaliaikaisesti ja ei-invasiivisesti.

Tulevaisuuden edelläkävijäkankaat

Älyvaatteiden kehitys on edennyt nopeasti jo jonkin aikaa. Vuonna 2016 Georgia Institute of Technologyn Atlanta‑yliopiston tutkijat loivat mikrokaapelia käyttävän energiankeräävän kankaan, joka pystyi keräämään energiaa auringonvalosta ja liikkeestä.

Tähän tiedemiehet kutovat langan ohutkuitupohjaisten aurinkokennojen ja triboelektristen nanogeneraattorien kanssa. Tuloksena syntynyt älykangas oli 320 μm paksu yksikerros ja se voidaan integroida telttiin, verhoihin ja erilaisiin vaatteisiin. Tekstiili, tutkimuksen mukaan, pystyi suoraan lataamaan matkapuhelimen ja jatkuvasti virtaamaan elektronista kelloa.

NTU Singapore -tiedemiehet myös menestyksekkäästi kehittivät ‘kankaan’, joka muuntaa kehon liikkeen sähköksi. Tämän venytettävän ja vedenkestävän kankaan luomiseksi tiedemiehet käyttivät polymeeria, joka muuntaa mekaanisen voiman, kuten painalluksen tai puristuksen, sähköenergiaksi. Kankaalla on venytettävä spandex-pohjakerros ja se on myös integroituna kumimaiseen materiaaliin, mikä tekee siitä joustavan, vahvan ja vedenkestävän.

Kokeessa tiimi osoitti, että tämän kankaan pienen palan napauttaminen tuotti sähköenergiaa, joka pystyi tehokkaasti sytyttämään sata LED-valoa. Lisäksi kankaan peseminen, rypistys tai taittaminen ei heikentänyt suorituskykyä, ja se pystyi ylläpitämään vakaata sähkövirtaa jopa viiden kuukauden ajan.

“Uskomme, että se voitaisiin kudota t-paitoihin tai integroida kenkien pohjiin keräämään energiaa kehon pienimmistä liikkeistä ja siirtämään sähköä mobiililaitteisiin.”

– Tutkimuksen johtaja Lee Pooi See, materiaalitieteilijä, ja NTU:n apulaisrehtorin professori

Vaikka älykankaat ovat monien tutkimus- ja kehityshankkeiden kohteena, niiden kustannustehokkuus on edelleen suuri haaste. Niiden käytännöllisyyden puute voi myös ajoittain olla ongelma.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijat ovat kehittäneet seuraavan sukupolven älytekstiilejä, jotka voidaan tuottaa edullisesti käyttämällä samoja koneita kuin perinteisissä vaatteissa. Tutkijat osoittivat aluksi, että kuitujen päällystäminen venymistä kestävillä materiaaleilla voi olla yhteensopivaa perinteisten kudontaprosessien kanssa. Nyt älytekstiilejä voidaan myös valmistaa automatisoiduilla prosesseilla, ilman rajoituksia koossa tai muodossa. 

Tämä on vasta alkua, sillä kaikki kiinnostus älytekstiileihin johtaa moniin muihin mielenkiintoisiin innovaatioihin. Esimerkiksi tämä edistys on johtanut myös kannettavan laitteen kehittämiseen, joka voidaan upottaa kankaaseen tai käyttää takkina. Se voi naamioida käyttäjänsä lämpöä havaitsevilta antureilta, kuten yövision laseilta, säästä riippumatta.

Vaikka laitteen pinta lämpenee tai viilenee nopeasti vastaamaan ympäristön lämpötilaa, piilottaen käyttäjän kehon lämmön, sisäosa pysyy ihmisen ihon lämpötilassa.

Samaan aikaan National University of Singaporeissa tutkijat kehittivät kosteudesta johtuvan sähköngenerointilaitteen (MEG) käyttäen kangasta, merisuolaa, hiilitäytettä ja erityistä vesinsorbindavaa geeliä. Pitämällä toista kankaan päätä jatkuvasti märkä ja toista kuivana, hiilikerrostettu kangas tuotti sähkövirran, jonka kapasiteetti riitti tuottamaan sähköä yli 150 tuntia. Toimien periaatteessa akkuna, se tarjosi suuremman sähkötehon kuin perinteinen AA-paristo, osoittaen potentiaalin virrata jokapäiväisiä elektroniikkalaitteita.

MEG-laitteen konsepti perustuu eri materiaalien kykyyn tuottaa sähköä vuorovaikutuksesta ilman kosteuden kanssa. Tämä osoittaa sen soveltuvuuden erilaisiin käytännön käyttötarkoituksiin, kuten kannettaviin elektroniikkalaitteisiin ja tiedon tallennuslaitteisiin.

Insinöörit ovat myös valmistaneet transistoreita ja elektronisia laitteita langasta. Yksi tällainen tutkimus sisälsi ohuiden lankojen kudomisen kankaaseen elektronisten laitteiden luomiseksi, jotka voidaan käyttää iholla tai kirurgisesti istuttaa diagnostiseen seurantaan. 

Ensimmäiset lankapohjaiset transistorit (TBT:t) yhdistettiin lankapohjaisten antureiden kanssa mahdollistamaan täysin joustavien, monikanavaisten laitteiden luominen. Tässä TBT:ssä käsiteltiin pellonalankaa hiilikuituputkilla, jotta syntyy puolijohdepinta elektronien kulkua varten, ja se liitettiin sitten kahteen ohueen kultalankaan, joista toinen kiinnitettiin elektrolyyttia sisältävään geeliin. 

Tutkimuksen kirjoittajan Sameer Sonkusalen, Tufts University School of Engineeringin sähkö- ja tietokonetekniikan professorin, mukaan:

“On monia lääketieteellisiä sovelluksia, joissa biomarkkereiden reaaliaikainen mittaus voi olla tärkeää sairauden hoitamisessa ja potilaiden terveyden seurannassa. Kyky täysin integroida pehmeä ja taipuisa diagnostinen seurantalaite, jonka potilas tuskin huomaa, voisi olla varsin voimakas.”

Älykkäät kankaat, jotka mukautuvat muuttuviin lämpötiloihin 

Toinen älytekstiilien tutkimuskohde on lämpötilaan sopeutuva kangas, joka parantaa energiatehokkuutta vähentämällä tarvetta lämmitys- tai jäähdytysjärjestelmille.

Tässä yhteydessä Hong Kongin polyteknillisen yliopiston uusi tutkimus, joka julkaistiin tällä viikolla, esittelee hengittävän ja lämpöeristetyn pehmeän robottipuvun, joka voi automaattisesti sopeutua muuttuviin ympäristölämpötiloihin, auttaen varmistamaan työntekijöiden turvallisuuden kuumissa ympäristöissä.

Mielenkiintoinen muutama vuosi sitten American Chemical Societyn tutkimus käsitteli materiaalin kehittämistä, joka jäähdyttää käyttäjäänsä ilman sähköä siirtämällä lämpöä ja sallimalla kosteuden haihtua iholta.

Koska ilmastointi ja muut jäähdytysmenetelmät kuluttavat merkittävän osan Yhdysvaltojen sähköenergiasta, tutkijat valitsivat kohdennetun lähestymistavan, jäähdyttäen henkilön kehoa koko huoneen sijaan.

Vaikka vaatteet ja tekstiilit on jo suunniteltu tähän, useimmilla on korkeat kustannukset, heikko jäähdytyskyky ja suuri sähkönkulutus. Siksi tutkijat valmistivat uuden materiaalin elektrospinnauksella, käyttäen polymeeria, erityisesti veden hylkivää polymeeria, ja lämpöä johtavaa täyteainetta nanokuitumaisiksi kalvoiksi.

Nämä kalvot sisälsivät riittävän suuria huokosia, jotta hiki voi haihtua iholta ja ilma kiertää, samalla hylkien vettä ulkopuolelta. Tutkimus totesi, että henkilökohtaisen jäähdytyksen lisäksi kalvo voisi olla hyödyllinen myös meriveden suolanpoistossa, aurinkoenergian keruussa ja elektronisten laitteiden lämpöhallinnassa.

American Chemical Societyn tutkimuksesta tuli myös uusi tekstiili, joka ei ainoastaan pidä sinua viileänä kesällä vaan myös lämpimänä talvella, tehden siitä ainutlaatuisen tässä suhteessa. Vaikka älytekstiileistä on tiedetty että ne lämmittävät tai jäähdyttävät käyttäjää, kangas, joka pystyy tekemään molemmat, ei ole kovin yleinen. Tämä vahva mutta mukava kangas ei myöskään vaadi energiansyöttöä.

Tämän älykankaan luomiseksi tiedemiehet jäähdyttivät chitosania, joka tulee äyriäisen ulkokehikosta, ja silkkiä, värillisiin kuituihin, joilla on huokoinen mikrorakenne, ja täytettiin ne vaiheenvaihtopolymäärillä nimeltä polyeteeniglykol (PEG). Lankaa päällystettiin polydimetylisilikonilla, jotta nestemäinen PEG, joka absorboi ja vapauttaa lämpöenergiaa, ei vuoda ulos.

Tutkijat testasivat kankaan, joka osoittautui joustavaksi, vahvaksi ja vedenkestäväksi, kudomalla sen kankaanpalaan, joka sitten sisällytettiin polyesterikäsineeseen. Kun henkilö käytti sitä ja se asetettiin kuumaan kammiin (122 °F), kiinteä PEG absorboi lämmön ja sulaa nestemäiseksi, jäähdyttäen ihoa. Vastaavasti kylmässä (50 °F) PEG kiinteytyy, vapauttaen lämpöä ja lämmittäen ihoa.

Tutkijoiden mukaan kankaan voidaan skaalata massatuotantoon koska se on yhteensopiva nykyisen tekstiilialan kanssa.

Klikkaa tästä oppiaksesi älyvaatteista, jotka tallentavat liikkeitä ja muuttavat urheilua sekä fysioterapiaa.

Energiankeräävissä älykankaissa toimivat yritykset

Tarkastellaan nyt yrityksiä, jotka innovoivat älykankaiden alalla:

#1. Adidas

Yritys julkaisi ensimmäisen älykenkänsä parin kymmenen vuotta sitten. Kengissä oli anturi, mikropiiri, sähkömoottori ja älykäs elektroninen tekstiilimateriaali.

Vuonna 2021 Adidas esitteli uuden tekstiilinnovaatioonsa, STRUNG, joka kuvataan teollisuuden ensimmäisenä tekstiilinä ja luomisprosessina. Tämä innovaatio mahdollistaa Adidasille erilaisten rakenteiden rakentamisen ja testaamisen ennen valitun suunnitelman lähettämistä STRUNG‑robottiin. Tämä tuotekonsepti on täysin dataohjattu jalkine tietylle juoksijaprofiilille.

Adidasin markkina-arvo on 43 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät 119,58 dollaria, nousua 16,74 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on -0,37 ja P/E (TTM) -325, kun taas osinkotuotto on 0,32 % CNBC:n mukaan. Vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana saksalainen urheiluvaatemerkki raportoi 5,82 miljardia euroa liikevaihtoa, 196,0 miljoonaa euroa nettotulosta ja 3,4 % voittomarginaalin, mikä oli nousu 1,6 %:sta 2Q23:ssa.

#2. DuPont De Nemours

Älyvaatteiden maailmassa DuPont on lanseerannut venytettävät elektroniset liitännät Intexar™-teknologian avulla. Tämä älyvaatekotiteknologia muuttaa tavalliset kankaat aktiivisiksi ja älykkäiksi vaatteiksi, jotka tarjoavat kriittisiä biometrisiä tietoja, kuten sydämen sykkeen, hengitystaajuuden ja lihasjännityksen.

DuPontin markkina-arvo on 33,47 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät 80,19 dollaria, nousua 4,22 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 0,72 ja P/E (TTM) 111,16, kun taas osinkotuotto on 1,90 % CNBC:n mukaan. Vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana yritys raportoi 2 %:n kasvun nettomyynnissä 3,2 miljardiin dollariin ja korjatun vapaan kassavirran nousun 53 %:iin 425 miljoonaan dollaria.

Muita merkittäviä nimiä, jotka työskentelevät älyvaatteiden parissa, ovat Yhdistyneessä kuningaskunnassa toimiva Pireta, joka on kehittänyt ainutlaatuisen lisäprosessi, joka lisää johtavuutta kankaisiin vaikuttamatta vaatteen suorituskykyyn tai lieriin. Sitten on Collebakin Solar Charged -takki, joka absorboi valoa päivän aikana ja säteilee sitä yöllä. Xenoman e-skin on puolestaan älykäs paita, jossa on upotettu antureita kehon liikkeiden ja fysiologisten tietojen seurantaan. OMSignalilla on bioantureita sisältäviä vaatteita, jotka käyttävät energiankerääviä tekstiilejä virtalähteenä kankaaseen upotetuille antureille sydämen sykkeen, hengityksen ja muiden elintoimintojen seurantaan.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex ja Sensoria työskentelevät myös tällä alalla.

Euroopassa useat yritykset ovat yhdistäneet voimansa käynnistääkseen GRAPHERGIA-projektin, jonka tavoitteena on muuttaa tapa, jolla energiaa kerätään tekstiileissä ja akkujärjestelmissä. Projekti aloitettiin viime vuoden lopulla edistämään älytekstiilejä, jotka mukautuvat kehoon ja latautuvat itse.

“Kuvittelemme maailman, jossa vaatteesi tekevät enemmän kuin vain näyttävät hyvältä – ne virvoittavat laitteitasi, toimivat antureina ja yhdistävät sinut saumattomasti esineiden internetiin (IoT).”

– Professori Spyros Yannopoulos, GRAPHERGIA-projektin koordinaattori

Yhteenveto 

Kaikki yllä mainitut jännittävät innovaatiot ovat tehneet muodista nyt tavan, joka ei ainoastaan korosta ulkonäköä, vaan myös kirjaimellisesti tuottaa energiaa. Yhdistämällä tekstiilit energiankerääjiin, voimme saada myös ympäristöystävällisiä, laajalle levinneitä ja kestäviä kannettavia energiaratkaisuja.

Energiansäästävät kankaat nousevat selvästi muodin tulevaisuudeksi, avaten kokonaan uuden maailman kannettavaa teknologiaa. Ainoa raja tässä on mielikuvituksemme.

Klikkaa tästä oppiaksesi itse lataavista kannettavista laitteista.