Langattomasti ladatut älyvaatteet nyt mahdollisia MXene-musteen läpimurron avulla

Teknologiset edistysaskeleet ovat tehneet kaikesta älykästä tänään, puhelimista, jääkaapeista, televisioista, kelloista, pyöristä, autoista ja lompakoista uuneihin, laseihin, ovikelloihin, termostaatteihin ja hammasharjoihin.

Vielä yksi asia, joka muuttuu älykkääksi eikä ehkä ole odottanutkaan, on vaatteesi. Aivan oikein! Myös vaatteet ja tekstiilit muuttuvat älykkäiksi. Kuvittele tekstiilejä, jotka voivat havaita ja reagoida lämpötilaasi, liikkeeseesi ja paineeseesi.

Tekstiilien kaikkialle levinneisyys, suuri pinta-ala ja läheinen yhteys käyttäjiinsä tekevät niiden toiminnallisuuden integroinnista lupaavan hankkeen.

Vaikka monet huippumuotibrändit ovat antaneet lupauksia, älyvaatteet antureilla ja seuraavan sukupolven tekstiilit eivät ole vielä tulleet osaksi arkeamme. Tämä johtuu siitä, että tekstiin perustavat elektroniikat tai e-tekstiilit tarvitsevat tekstiin kiinnitetyt virtalähteet, mikä voi heikentää käyttäjän mukavuutta.

Vaihtoehtona on otettu käyttöön vaatteessa tapahtuva energian keräys. Fotovoltaaliset laitteet ovat esimerkkejä laitteista, jotka saavuttavat kohtuullisen tehon, mutta melko alhaisella jännitteellä. Niillä on myös monimutkaiset valmistusmenetelmät ja ne tarvitsevat valoa saadakseen virtaa. Piëzoelektrinen on toinen, joka tuottaa merkittävän jännitteen, mutta virrat ovat mikroampeeritasolla.

Tässä langaton lataus voi tarjota merkittäviä etuja, kun tutkijat kääntyvät MXene-materiaalien puoleen ja integroivat ne suoraan tekstiileihin.

Jotta e-tekstiilit saataisiin osaksi vaatekaappiamme, Drexelin yliopiston tutkijat tekivät yhteistyötä Accenture Labsin kanssa Kaliforniassa rakentaakseen täyden tekstiilien energian verkon, joka voidaan ladata langattomasti.

Kuvaillessaan verkon rakentamisen prosessia ja toteutettavuutta, viimeisin tutkimus, jonka on tukena National Institutes of Health, raportoi MXene-pohjaisen musteen käyttöä ei-verkotettujen puuvillatekstiilien painamiseen.

Tämä painatus voidaan tehdä helposti suoran painatusmenetelmän avulla, ja muste voidaan kuivata huoneenlämmössä ja levittää tekstiileihin.

Drexelin yliopiston vaatteessa oleva energian verkko voi virrata todellisia elektroniikkalaitteita, mukaan lukien sEMG-anturi, ja siirtää dataa reaaliajassa. Tiimi loi myös langattoman joule-lämmittimen, joka sai suoraan virtansa MXene-käämistään.

MXene: 2D-nanomateriaali loputtomilla mahdollisuuksilla

Drexenissa kehitetty MXene on nanomateriaali, joka ei ole vain erittäin johtava, vaan myös kestävä tarpeeksi kestämään vaatteiden vaatiman pesun, venyttämisen ja taittamisen.

Luonnollisen johtavuutensa lisäksi MXene on läpäisemätön sähkömagneettiselle säteilylle ja se voi hajota veteen vakaana kolloidiratkaisuna. Tämä mahdollistaa MXene-pinnoituksen tekstiileihin ilman kemiallisten lisäaineiden tarvetta. MXene osoittaa myös superkondensaattorimaisia ominaisuuksia ja lupaa antureissa. Näitä nanoliuskeita voidaan sijoittaa minne tahansa ja lähes mille tahansa pinnalle.

Kaikki nämä ominaisuudet antavat MXene:lle selkeän edun muihin materiaaleihin nähden ja tekevät siitä ihanteellisen ehdokkaan integroitavaksi tekstiileihin toiminnallisuuden lisäämiseksi sekä sähköenergian tuottamiseksi ja varastoimiseksi. Kuten Drexel University totesi:

“Mahdollisuudet MXeneille ovat loputtomat.”

Esimerkiksi tutkijat ovat kehittäneet skaalautuvan strategian valmistaa korkean suorituskyvyn kalvoja titaanikarbidin MXene-liuskeista, joilla on lupaavia sovelluksia avaruustekniikassa, biolääketieteessä ja joustavissa elektronisissa laitteissa. Toisaalla tiedemiehet ovat löytäneet p-tyypin ominaisuuksia uudessa MXene-materiaalissa edistääkseen sen potentiaalia nanoteknologian sovelluksissa. Toinen tiimi on avannut MXene:n potentiaalin katalyysissä helpottaakseen ammoniakin käyttöä vedyn kantajana uusiutuvan energian varastoinnissa.

Itse asiassa yli vuosikymmen sitten Drexelin insinööritieteiden korkeakoulun materiaalitieteen ja -tekniikan laitoksen tutkijat löysivät tämän 2D-karbidi- tai nitriidiperheen. Vain muutaman atomin paksuinen, materiaalin rakenne osoitti valtavaa potentiaalia ominaisuuksiensa ja käyttötarkoitustensa suhteen.

Ei ole kyseessä vain yksi MXene; niitä on monia erilaisia ja mahdollisuuksia on vielä enemmän.

“Taivas on todellakin raja.”

– Yury Gogotsi, professori Drexelin insinööritieteiden korkeakoulussa ja A.J. Drexel Nanomateriaalien instituutin johtaja, vuosia sitten

Sitten tutkijat alkoivat tutkia mahdollisuutta soveltaa MXenea pinnoitteena, joka voi antaa laajalle materiaalivalikoimalle sen poikkeukselliset ominaisuudet.

Nyt, uusimman konseptin todistuksen myötä, yliopisto on tehnyt jälleen yhden suuren kehityksen, mikä on merkittävä askel kannettavassa teknologiassa, joka on tällä hetkellä rajoittunut massiivisten, jäykkojen akkujen käyttöön, jotka eivät ole täysin integroituneet vaatteisiin.

Keskustellessa siitä, miten massiiviset energialähteet, jotka vaativat jäykkiä komponentteja, eivät ole ihanteellisia, tutkimuksen johtaja Gogotsi selitti, että ne ovat yksinkertaisesti epämukavia ja tunkeilevia käyttäjälle.

Vaikka e-tekstiilit voidaan kytkeä seinään, suora virta rajoittaa liikettä. Hän lisäsi:

“(Ne myös) taipuvat ajan myötä epäonnistumaan kovien elektroniikkakomponenttien ja pehmeän tekstiilin rajapinnassa.”

Nämä rajapinnat voivat heikentää käyttäjän mukavuutta ja ovat alttiita mekaanisille vioille. Lisäksi e-tekstiilien pestävyys on melko vaikea hallita.

Joten Drexelin tutkimusryhmä painoi tekstiiliverkon joustavalle, kevyelle puuvillapohjalle, joka oli vain pieni paikka.

Se sisältää lisäksi painetun resonanttikäämin, jota kutsutaan MX-käämiksi, joka muuntaa sähkömagneettiset aallot energiaksi mahdollistaen langattoman latauksen. Lisäksi on kolme tekstiilisuperkondensaattoria, jotka varastoivat energiaa ja käytetään laitteiden virransyöttöön.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja kankaasta, joka voi muuntaa lämmön sähköksi.

Superkondensaattori ‘paikka’ energian varastointiin

Lähde: Drexel University

Tutkittuaan MXene-funktioidun tekstiilin kestävyyttä, sähkönjohtavuutta ja energian varastointikapasiteettia, jotka eivät olleet optimoituja elektronisten laitteiden virransyöttöön passiivisten laitteiden, kuten LED-valojen, lisäksi, Drexel ja Accenture Labs kehittivät nämä superkondensaattorit viime vuonna.

Silloin tiimi raportoi, että superkondensaattori pystyi latautumaan muutamassa minuutissa ja sitten virtaamaan lämpötila-anturia ja datan radioviestintää noin kahden tunnin ajan.

Gogotsi, joka oli tutkimuksen yhteiskirjoittaja, totesi myös silloin, että jotta teknologia voidaan täysin integroida kankaaseen, meidän on myös pystyttävä saumattomasti integroimaan sen virtalähde.

“Keksintömme näyttää tulevaisuuden suunnan tekstiilien energian varastointilaitteille.”

– Gogotsi

MXene:n helppo kiinnittyminen kankaaseen mahdollistaa Drexelin superkondensaattorin korkean energian tiheyden ja toiminnallisten sovellusten tukemisen, mikä on tarpeen tekstiin perustuvan energian varastoinnin toteuttamiseksi todellisissa sovelluksissa.

MXene-tekstiilisuperkondensaattoripaikka suunniteltiin maksimoimaan energian varastointikapasiteetti käyttäen minimaalisia materiaaleja ja vähän tilaa. Näin se vähensi tuotannon kokonaiskustannuksia ja samalla säilytti vaatteen joustavuuden ja käyttökelpoisuuden.

Nyt superkondensaattorin luomiseksi pienet kudotut puuvillatekstiilin näytteet upotettiin MXene-liuokseen. Sitten ne kerrostettiin litiumkloridi-elektrolyygelille. Jokaisessa superkondensaattorisolussa on kaksi tekstiilikerrosta, jotka on päällystetty MXene:lla.

Jotta paikka voisi käyttää laitteita, viisi solua pinottiin yhteen, yhteispinta-alana 25 neliösenttimetriä, luoden virtapaketin, joka pystyy latautumaan 6 volttiin. Solut myös tyhjiöpakattiin suorituskyvyn heikkenemisen estämiseksi.

Tiimin superkondensaattori pystyi virtaamaan Arduino Pro Mini 3,3 V mikrokontrolleria, mikä oli yksi korkeimmista kokonaistehontuotoista tekstiilien energialaitteille kirjattuna.

Mikrokontrolleri pystyi myös lähettämään lämpötilan langattomasti 30 sekunnin välein 96 minuutin ajan. Tämä suorituskyky pysyi tasaisesti yli 20 päivän ajan.

Langattoman latauksen mahdollistaminen tekstiileissä

Kun energian varastointilaite, eli superkondensaattori, joka toimittaa energiaa nopeammin kuin akku, oli luotu, tiimi aloitti työskentelyn tekstiiliverkolla, joka sisälsi MX-käämin ja kolme tekstiilisuperkondensaattoria.

Tiimi osoitti järjestelmänsä tehokkuuden eri e-tekstiilikäyttöjen virransyötössä. Esimerkiksi kehitetty verkko pystyi latautumaan langattomasti 3,6 voltilla, mikä riittää kantavien antureiden sekä rannekellojen ja laskimien virransyöttöön. Pienten laitteiden lisäksi verkolla oli kapasiteetti jopa virrata digitaalisiin piireihin tietokoneissa.

Kun verkkoa testattiin pienillä elektronisilla laitteilla, havaittiin, että pelkästään 15 minuutin lataus riitti tuottamaan riittävästi energiaa pienten laitteiden virransyöttöön yli 90 minuutin ajan.

Lisäksi, kun verkko kävi läpi laajan pesu- ja taivutussyklin simuloimaan tavallisen vaatetuksen kulutusta, tutkijat havaitsivat, että verkon suorituskyky oli juuri ja juuri heikentynyt.

Flavia Vitale, tohtori, neurotieteen apulaisprofessorin johdolla Pennsylvanian yliopiston yhteistyökumppanit testasivat sitä myös langattomille MXene-pohjaisille biosensorielektrodeille, joita kutsutaan MXtrodeiksi ja jotka seuraavat lihasliikkeitä.

Vaatteessa tapahtuvien sovellusten lisäksi, jotka vaativat energian varastointia, tiimi esitteli käyttötapauksia, jotka eivät välttämättä tarvitse energian varastointia, kuten “tilanteet, joissa käyttäjät ovat suhteellisen paikallisia”, sanoi Alex Inman, tohtori, Gogotsin tutkimusavustaja A.J. Drexel Nanomaterials Institute -laitoksessa.

Tässä yhteydessä tiimi käytti järjestelmää virtaamaan valmiiksi saatavilla olevaa lämpötila- ja kosteusantureiden sarjaa sekä mikrokontrolleria lähettääkseen keräämänsä tiedot reaaliajassa. Vain puolen tunnin langaton lataus riitti energiatehokkaaseen reaaliaikaisen lähetyksen toimintaan antureilta 13 minuutin ajan.

MX-käämiä käytettiin myös virtaamaan painettua, tekstiiliin upotettua lämmityselementtiä, Joule-lämmitintä. Se tuotti noin 4 asteen Celsius- lämpötilan nousun konseptinäytteenä. Gogotsin mukaan:

“Monia erilaisia teknologioita voitaisiin virrata langattomalla latauksella. Tärkein seikka sovellusta valittaessa on, että sen on oltava järkevä kannettavassa sovelluksessa.”

Vaikka biologiset anturit, terveydenhuollon tulevaisuus, voidaan integroida suoraan tekstiileihin parantamaan datan laatua ja luotettavuutta sekä lisäämään käyttäjän mukavuutta, Gogotsi totesi, että heidän tutkimuksensa osoittaa, että tekstiilipohjainen virtaverkko voi virrata mihin tahansa määrään oheislaitteita.

Kannettavista haptiikkaratkaisuista AR/VR-sovelluksiin, kuten viihteeseen ja koulutukseen, kuitupohjaisiin LED-valoihin muotiin tai työturvallisuuteen sekä ulkoisten elektroniikkalaitteiden ohjaukseen, heidän tekstiilipohjainen virtaverkkonsa on osoittanut erilaisia potentiaalisia käyttötapauksia.

Vaikka kyseessä on suuri saavutus, lisätyötä tarvitaan suunnittelun optimointiin resonanssikäyttäytymisen luomiseksi, ja muita materiaaleja voidaan myös lisätä tehokkuuden lisäämiseksi. Jatkossa Drexelin tutkijat keskittyvät järjestelmän skaalaamiseen rajoittamatta sen kykyä integroitua tekstiileihin tai heikentämättä sen suorituskykyä.

Kaiken kaikkiaan MXene-materiaalit, Gogotsin ja Inmanin mukaan, voivat näytellä merkittävää roolia monien teknologioiden muuttamisessa tekstiilimaisiksi.

“Tuotamme riittävästi tehoa langattomasta latauksesta virrataksemme monia erilaisia sovelluksia, joten seuraavat askeleet keskittyvät integrointiin. Yksi merkittävä tapa, jolla MXene voi auttaa tässä, on sen käyttö monissa näissä toiminnallisuuksissa – johtavissa johdoissa, antenneissa ja antureissa.”

– Inman

Yritykset, jotka hyötyvät e-tekstiilien toteutumisesta

Älyvaatteet ovat kasvava markkina, jonka nykyarvo on arvioitu olevan 5,16 miljardia dollaria, ja sen odotetaan kasvavan 26,2 %:n CAGR:lla vuosina 2025–2030. Kun käyttäjien keskittyminen terveyteen ja kuntoiluun kasvaa, teknologiavetoiset jättiläiset kuten Google (GOOGL ) ja Apple (AAPL ) ovat luoneet kannettavaa tekniikkaa ja voivat myös hyötyä e-tekstiileistä.

Vuonna 2019 Levi (LEVI ) teki yhteistyötä Googlen kanssa lanseeratakseen älykkään Trucker-takin. Siinä oli Googlen Jacquard-teknologia, jonka avulla tiettyä kankaan osaa voidaan käyttää mobiilipuhelimien ohjaamiseen.

MXene-pohjaiset tekstiilit voivat olla arvokkaita myös lääketieteellisessä maailmassa, jossa yritykset kuten Medtronic (MDT) voivat käyttää niitä tarjoamaan mukavuutta ja turvallisuutta.

1. Vuzix Corporation

Älyvaatteilla on suuri käyttö- ja kasvumahdollisuus virtuaalitodellisuuden (VR) ja lisätyn todellisuuden (AR) teollisuuksissa. Ne voivat hämärtää fyysisen ja verkko- maailman välistä rajausta aistien, kuten haptiikkapalautteen, avulla, luoden käyttäjälle immersiivisempiä kokemuksia.

Vuzix on kannettavan AR- ja VR-näyttötekniikan toimittaja. Integroimalla MXene-pohjaiset e-tekstiilit sen laitteisiin, Vuzix voi merkittävästi parantaa käyttäjäkokemusta poistamalla ulkoiset akkupaketit rajoittamatta käyttäjän liikettä.

Jos tarkastelemme sen markkinasuorituskykyä, $76,2 miljoonan markkina-arvon yrityksen osakkeet ovat tulleet 44,36 %:lla alaspäin tänä vuonna, ja ne käyvät $1,22 hintaan kirjoitushetkellä. Sen EPS (TTM) on -1,26 ja P/E (TTM) -0,92.

Vuoden 2024 toisen neljänneksen aikana yritys raportoi 77 %:n laskun kokonaisliikevaihdossaan $1,1 miljoonaan verrattuna $4,7 miljoonaan 2Q23:lla. Tämä lasku johtui alhaisemmista tuotemyynneistä, erityisesti M400-älylasien osalta.

Jakson bruttotappio oli $0,3 miljoona, mikä johtui alhaisemmista tuloista, jotka eivät pystyneet kattamaan yrityksen kiinteitä valmistuskustannuksia. Tutkimus- ja kehityskulut olivat puolestaan $2,4 miljoonaa. 30. kesäkuuta 2024 Vuzixilla oli käteistä ja käteismukaisia varoja $9,9 miljoonaa, ja sen kokonaiskäyttöpääoma oli $22,1 miljoonaa.

2. Nike

Tämä vaatetusjätti on tutkinut älyvaatteita jo jonkin aikaa, ja MXene-pohjaisten langattomien latausvaatteiden integrointi voisi auttaa Nikea kehittämään kehittyneitä urheiluvaatteita, jotka voivat seurata biometrisiä tietoja vaikuttamatta käyttäjän toiminnallisuuteen ja mukavuuteen.

Äskettäin se esitteli Aerogamin, uuden hengittävän vaatetusteknologian, jossa on kosteudelle reagoivia venttiilejä, jotka avautuvat ja sulkeutuvat itsestään hikoilun havaitessa. Se auttaa juoksijoita säätelemään kehon lämpötilaa paremmin harjoittelun aikana. Suorituskykyteknologiansa avulla Nike pyrki “luomaan tuotteen, joka vuorovaikuttaa urheilijoiden kehojen kanssa reaaliajassa lämmittäessä, hikoillessa ja jäähdytettäessä”.

Tarkastellessa sen taloudellista puolta, Nike on $6 miljardin markkina-arvon yritys, jonka osakkeet käyvät tällä hetkellä $77,20, mikä on 28,18 %:n lasku tänä vuonna. Sen EPS (TTM) on 3,49 ja P/E (TTM) 22,36, ja se maksaa 1,90 %:n osinkotuoton.

Vuoden 2025 talousvuoden, 31. elokuuta 2024 päättyneen neljänneksen taloudellisissa tuloksissa yritys raportoi liikevaihdon $11,6 miljardia, 10 %:n laskun vuoden yli. Nettotulos laski myös 28 %:lla $1,1 miljardiin. Vaikka Nike on kamppaillut viime vuosina hidastuvan kuluttajakysynnän kanssa, se pitää edelleen 40 %:n markkinaosuutta urheiluvaatemarkkinoilla.

Sillä välin sen käteinen ja käteismukaiset varat sekä lyhytaikaiset sijoitukset ovat $10,3 miljardia, noin $1,5 miljardia enemmän kuin viime vuonna. Osakkeenomistajille jaetut tuotot ovat jatkaneet kasvuaan, $558 miljoonaa on maksettu osinkoina, kun $1,2 miljardia on käytetty osakkeiden takaisinostoihin.

Yhteenveto

Teknologia on nopeimmin kasvava sektori, joka vaikuttaa lähes kaikkiin elämämme osa-alueisiin, myös vaatekaappiin. Kuitenkin joustavat ja venytettävät tekstiilien energian varastointiratkaisut pysyvät edelleen kehittymättöminä useimmissa e-tekstiilijärjestelmissä, koska nykyisten materiaalien ja teknologioiden suorituskyky on riittämätöntä.

Jatkuvan tutkimuksen ja innovaation myötä voimme lopulta nähdä älyvaatteiden toteutuvan. Tässä ihmeellinen MXene-materiaali tarjoaa suuria lupauksia monipuolisuudellaan, mikä ei ainoastaan tee e-tekstiileistä mahdollisia, vaan myös kykenee vastaamaan tuleviin energiatarpeisiin.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja siitä, miten triboelectric-anturi tulee näyttelemään keskeistä roolia seuraavan sukupolven kannettavissa laitteissa.