Kain Pintar Mengubah Panas Menjadi Listrik

Bayangkan pakaian yang memantau suhu atau gerakan, atau membantu mengatur perpindahan panas. Beberapa rancangan dapat memanen energi tubuh atau lingkungan, tetapi tidak menghasilkan energi tanpa sumber.

Penelitian di bidang tekstil dan elektronik membuka peluang tersebut. Banyak contoh masih berupa prototipe dan belum menjadi pakaian konsumen atau alat medis yang tervalidasi.

Sensor dan bahan fungsional dapat menambah kemampuan pakaian. Manfaat lingkungan tetap perlu dinilai dari bahan, produksi, daya tahan, pencucian, dan pembuangan; istilah ”pintar” tidak otomatis berarti lebih berkelanjutan.

Sebuah perkiraan pasar menempatkan nilai tekstil pintar global pada 4,1 miliar dolar AS dan diproyeksikan mencapai 24,5 miliar dolar AS pada 2032. Angka dan peringkat segmen pemanenan energi bergantung pada definisi serta tahun dasar laporan Markets and Markets.

Pemanenan energi mengubah energi mekanik, panas, cahaya, atau sumber lingkungan lain menjadi listrik. Pada tekstil, bahan aktif dapat dilapiskan, ditenun, atau disulam. Daya yang tersedia bergantung pada sumber energi dan efisiensi sistem.

Pemanenan energi dapat melengkapi atau mengurangi kebutuhan baterai untuk perangkat berdaya rendah. Baterai menyimpan energi, sedangkan pemanen energi mengubah energi dari sumber lain. Kebutuhan melepas komponen sebelum mencuci bergantung pada desain dan petunjuk produk.

Meskipun masih pada tahap awal, sektor ini tumbuh dengan cepat, didorong oleh kombinasi faktor, termasuk kemajuan teknologi, desain, permintaan konsumen, miniaturisasi, dan kebijakan pemerintah.

Berikut beberapa pendekatan untuk memanen energi dan mengatur panas melalui tekstil.

Kain Pintar untuk Mengubah Panas Tubuh Menjadi Listrik

Salah satu perkembangan dalam tekstil multifungsi dilaporkan pada Agustus 2024 oleh University of Waterloo bersama peneliti Jiangnan University. Riset tersebut menunjukkan potensi sensor dan pemanenan energi, bukan sistem klinis lengkap yang sudah siap digunakan sehari-hari.

Material ini dapat merespons suhu dan regangan. Sensor lain dapat diintegrasikan untuk mengukur tekanan atau komposisi kimia. Tidak semua kemampuan tersebut harus dianggap telah dibuktikan oleh satu kain dalam satu pengujian.

Masker yang menganalisis suhu, laju napas, atau zat kimia dalam napas merupakan kemungkinan pengembangan. Kain tersebut belum membuktikan diagnosis kanker paru atau infeksi virus pada pasien. Yuning Li, profesor teknik kimia dan direktur Printable Electronic Materials Lab di Waterloo, menjelaskan:

“Kami telah mengembangkan bahan kain dengan kemampuan sensing multifungsi dan potensi daya mandiri yang membawa kami lebih dekat ke aplikasi praktis untuk kain pintar.”

Tim membuat tekstil termoelektrik berbasis MXene dengan lapisan polidopamin (PDA) pada nilon untuk membantu melekatkan material. Respons terhadap regangan dan suhu diuji dalam kondisi penelitian.

MXene adalah keluarga material berlapis dengan sifat yang bergantung pada komposisi dan permukaannya. Konduktivitas serta kemudahan pengolahannya menarik untuk sensor. Biokompatibilitas tidak boleh diasumsikan sama untuk seluruh keluarga material. Studi tersebut melaporkan:

”Tekstil termoelektrik berbasis MXene menunjukkan deteksi suhu dan stabilitas siklus, serta respons sekitar 60 milidetik dan pengujian 3.200 siklus untuk pengindraan regangan.”

Hasil tersebut menunjukkan potensi integrasi bahan konduktif dengan tekstil. Klaim daya mandiri harus dinilai bersama kondisi energi yang tersedia dan kebutuhan elektronik. Pengujian laboratorium tidak menjamin operasi tanpa henti, harga terendah, atau daya tahan terbaik dibanding semua produk pasar.

Li menekankan pentingnya sensor tercetak untuk pengumpulan data yang berkelanjutan. Analisis AI dapat membantu mengolah sinyal, tetapi tidak menghilangkan kebutuhan akan sensor yang akurat dan validasi sesuai aplikasi.

Tahap berikutnya mencakup peningkatan kinerja dan integrasi elektronik. Aplikasi ponsel untuk mengirim data ke tenaga kesehatan merupakan kemungkinan pengembangan, bukan fungsi klinis yang sudah tersedia dalam penelitian ini.

Kain Perintis Masa Depan

Pada 2016, peneliti mengembangkan tekstil kabel mikro untuk memanen energi cahaya dan gerakan. Contoh ini menunjukkan pendekatan berbeda dari tekstil termoelektrik Waterloo. Tekstil tersebut dibuat dengan menggabungkan komponen pemanen energi surya dan mekanik.

Untuk ini, para ilmuwan menenun benang dengan sel surya berbasis serat tipis dan nanogenerator triboelektrik. Kain pintar yang dihasilkan memiliki lapisan tunggal setebal 320 μm dan dapat diintegrasikan ke dalam tenda, tirai, atau pakaian. Demonstrasi pengisian dan penyalaan perangkat kecil tidak berarti setiap potongan kain dapat mengisi ponsel secara penuh dengan kecepatan seperti pengisi daya biasa.

NTU Singapore mengembangkan prototipe tekstil lentur yang mengubah tekanan, regangan, dan gerakan menjadi listrik. Lapisan spandeks dan material komposit memberi fleksibilitas serta ketahanan pada kondisi uji.

Pengetukan sampel berukuran 3 × 4 sentimeter dapat menyalakan 100 LED dalam demonstrasi. Setelah pencucian, pelipatan, dan peremasan, kinerja tetap bertahan pada uji yang dilakukan. Stabilitas selama lima bulan tidak berarti kain menghasilkan listrik terus-menerus tanpa gerakan.

“Kami pikir ini dapat ditenun ke dalam kaos atau diintegrasikan ke sol sepatu untuk mengumpulkan energi dari gerakan terkecil tubuh, menyalurkan listrik ke perangkat seluler.”

– Lee Pooi See, profesor ilmu dan teknik material di NTU serta pemimpin penelitian

Biaya produksi, pencucian, kenyamanan, daya tahan, dan integrasi elektronik tetap menjadi tantangan. Keberhasilan prototipe belum menjamin produksi massal yang ekonomis.

Pelapisan serat dan proses tenun otomatis dapat membantu meningkatkan skala produksi tekstil elektronik. Namun, ukuran, bentuk, bahan, dan kecepatan produksi tetap memiliki batas teknis; tidak tepat menyebutnya tanpa batas.

Penelitian lain berupaya mengubah tampilan termal permukaan agar lebih menyerupai latar belakang. Ini berkaitan dengan kamera inframerah termal, bukan semua perangkat penglihatan malam, dan tidak menjamin penyamaran dalam semua cuaca.

Pengaturan suhu permukaan dapat memerlukan daya dan dibatasi kemampuan perpindahan panas. Kondisi bagian dalam serta kenyamanan pemakai perlu diuji terpisah dari kemampuan penyamaran termal.

Peneliti NUS mengembangkan perangkat pemanen energi kelembapan (MEG) dari kain, garam, karbon, dan gel penyerap air. Perbedaan kondisi basah dan kering menghasilkan tegangan. Satu sampel 1,5 × 2 sentimeter menghasilkan hingga 0,7 volt selama lebih dari 150 jam dalam lingkungan konstan; tiga unit yang dihubungkan mencapai sekitar 1,96 volt.

Tegangan tersebut tidak membuktikan daya atau kapasitas energi yang lebih besar daripada baterai AA. Tegangan, arus, daya, dan energi tersimpan adalah ukuran berbeda. Perangkat ini menunjukkan potensi untuk elektronik berdaya rendah pada kondisi yang sesuai.

Penelitian elektronik berbasis benang juga menggabungkan sensor dan transistor. Kemungkinan penggunaan pada kulit atau dalam tubuh memerlukan pengujian keselamatan, keandalan, dan biokompatibilitas sesuai aplikasi.

Transistor berbasis benang dapat memakai lapisan nanotube karbon sebagai kanal semikonduktor, kontak listrik, serta elektrolit untuk pengaturan gerbang. Sensor dan transistor yang dihubungkan menunjukkan sirkuit lentur; transistor bukan sumber listriknya.

Menurut penulis studi Sameer Sonkusale, profesor teknik listrik dan komputer di Tufts University School of Engineering:

“Ada banyak aplikasi medis di mana pengukuran biomarker secara real-time dapat penting untuk mengobati penyakit dan memantau kesehatan pasien. Kemampuan untuk sepenuhnya mengintegrasikan perangkat pemantauan diagnostik yang lembut dan lentur sehingga pasien hampir tidak menyadarinya dapat menjadi sangat kuat.”

Kain Cerdas untuk Menyesuaikan Diri dengan Perubahan Suhu 

Dimensi lain dari tekstil pintar yang sedang dieksplorasi adalah kain adaptif suhu, yang meningkatkan efisiensi energi dengan mengurangi kebutuhan sistem pemanas atau pendingin yang menggunakan daya.

Penelitian Hong Kong Polytechnic University yang diberitakan pada Agustus 2024 mengembangkan tekstil robotik lunak dengan insulasi termal adaptif. Cairan bertitik didih rendah di dalam aktuator mengembang saat panas dan menambah celah udara. Ini membantu mengurangi perpindahan panas pada kondisi uji, bukan jaminan keselamatan mutlak dalam semua lingkungan panas.

Penelitian yang diberitakan American Chemical Society mengeksplorasi material untuk membantu pelepasan panas dan penguapan keringat tanpa pendingin listrik aktif.

Pendinginan langsung pada tubuh dapat melengkapi pengaturan suhu ruangan. Besarnya penghematan listrik bergantung pada kondisi bangunan, iklim, aktivitas, dan cara penggunaan.

Sebagian sistem pendinginan aktif membutuhkan listrik, tetapi pakaian biasa tidak. Dalam pendekatan membran, peneliti menggunakan pemintalan elektrostatik polimer dan pengisi penghantar panas untuk mengatur perpindahan panas dan kelembapan.

Membran ini memiliki pori yang cukup besar untuk memungkinkan keringat menguap dari kulit dan udara bersirkulasi sambil menolak air dari luar. Studi mencatat bahwa selain pendinginan pribadi, membran ini juga dapat berguna untuk desalinasi air laut, pengumpulan energi surya, dan manajemen termal perangkat elektronik.

Tekstil perubahan fase dapat menyerap panas saat bahan meleleh dan melepaskannya saat membeku. Efek ini terbatas oleh jumlah bahan dan kondisi lingkungan; kain tidak dapat terus-menerus memanaskan atau mendinginkan tanpa pertukaran energi.

Peneliti mengolah kitosan, yang dapat berasal dari cangkang krustasea, bersama sutra menjadi serat berpori. Serat diisi polietilena glikol (PEG) sebagai bahan perubahan fase dan dilapisi polidimetilsiloksan untuk membantu menahan PEG cair.

Dalam pengujian, kain dimasukkan ke sarung tangan. Pada lingkungan sekitar 50 °C (122 °F), PEG menyerap panas saat meleleh; pada sekitar 10 °C (50 °F), bahan melepaskan panas saat membeku. Itu adalah suhu lingkungan uji, bukan suhu kulit yang dinyatakan aman atau kondisi perlindungan tanpa batas.

Peneliti melihat kemungkinan peningkatan skala produksi. Kesesuaian dengan proses tekstil yang ada tetap perlu dibuktikan bersama biaya, mutu, dan ketahanan penggunaan.

Klik di sini untuk mempelajari pakaian pintar untuk penangkapan gerakan yang dapat mengubah olahraga dan fisioterapi.

Perusahaan yang Terlibat dalam Kain Pintar Pengambilan Energi

Sekarang, mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang berinovasi di bidang kain pintar:

#1. Adidas

Adidas pernah mengembangkan sepatu dengan sensor, mikroprosesor, dan penyesuaian bantalan bermotor. Contoh sepatu elektronik ini tidak membuktikan bahwa sepatu tersebut memanen energi sendiri.

Adidas memperkenalkan konsep STRUNG pada Oktober 2020, bukan pertama kali pada 2021. Proses ini menggunakan data atlet dan penempatan benang oleh robot untuk merancang bagian atas sepatu; ”berbasis data” bukan berarti kain menghasilkan listrik.

Data harga saham, kapitalisasi pasar, rasio laba, dan dividen dalam artikel berasal dari cuplikan historis 2024, bukan kondisi pasar saat ini. Rasio P/E negatif tidak berguna sebagai ukuran valuasi laba yang lazim. Untuk kuartal kedua 2024, Adidas melaporkan pendapatan sekitar 5,82 miliar euro dan laba bersih dari operasi berlanjut sekitar 211 juta euro; jenis laba harus dibedakan saat membandingkan margin.

#2. DuPont De Nemours

Teknologi Intexar DuPont menyediakan tinta dan material elektronik yang dapat diregangkan untuk integrasi pada tekstil. Sistem lengkap dapat memakai sensor untuk mengukur sinyal tubuh; lapisan penghantar saja tidak otomatis mengukur semua tanda vital.

Data pasar DuPont dalam artikel merupakan cuplikan historis 2024. Pada kuartal kedua 2024, perusahaan melaporkan penjualan bersih sekitar 3,2 miliar dolar AS, naik 2%, serta arus kas bebas yang disesuaikan 425 juta dolar AS. Angka yang disesuaikan berbeda dari ukuran akuntansi standar.

Contoh lain mencakup Pireta, yang mengembangkan penambahan konduktivitas pada kain; Vollebak dengan Solar Charged Jacket yang berpendar setelah menyerap cahaya; serta Xenoma e-skin untuk pengindraan gerakan. Pendar cahaya bukan pembangkitan listrik. Pakaian biosensor seperti yang dikembangkan OMSignal juga tidak otomatis berarti sensor ditenagai pemanen energi tekstil.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex, dan Sensoria juga pernah dikaitkan dengan riset atau produk terkait. Keterlibatan suatu perusahaan tidak membuktikan seluruh teknologi yang dibahas telah menjadi produk komersialnya.

Proyek Eropa GRAPHERGIA dimulai pada 2023 untuk meneliti pemanenan energi dan penyimpanan energi berbasis material serta tekstil. Target proyek adalah arah penelitian, bukan bukti pakaian yang sudah dapat mengisi semua perangkat secara mandiri.

“Kami membayangkan dunia di mana pakaian Anda tidak hanya terlihat bagus—tetapi juga memberi daya pada perangkat Anda, berfungsi sebagai sensor, dan menghubungkan Anda secara mulus ke Internet of Things (IoT).”

– Prof. Spyros Yannopoulos, koordinator proyek untuk GRAPHERGIA

Kesimpulan 

Tekstil fungsional dapat menggabungkan sensor, pemanenan energi, dan pengaturan panas. Manfaatnya bergantung pada kinerja, sumber energi yang tersedia, ketahanan, biaya, dan dampak lingkungan sepanjang siklus hidup.

Bidang ini menawarkan peluang bagi perangkat berdaya rendah dan pakaian yang lebih adaptif. Batas fisika, keselamatan, biaya, serta produksi tetap menentukan apa yang dapat digunakan secara praktis.

Klik di sini untuk mempelajari wearable yang mengisi daya sendiri.