Indumenti Intelligenti Caricati Wireless Ora Possibili Grazie alla Scoperta dell’Inchiostro MXene

I progressi tecnologici hanno reso tutto intelligente oggi, dai nostri telefoni, frigoriferi, TV, orologi, biciclette, auto e portafogli ai forni, occhiali, campanelli, termostati e spazzolini da denti.

Un\’altra cosa che sta diventando intelligente, forse inaspettata, sono i tuoi vestiti. Esatto! Anche indumenti e tessuti stanno diventando smart. Immagina tessuti che possono percepire e rispondere alla tua temperatura, movimento e pressione.

L’ubiquità dei tessuti, così come la loro ampia superficie e la vicinanza agli utenti, rende in realtà l’integrazione di funzionalità al loro interno un\’impresa promettente.

Sebbene molte grandi case di moda abbiano promesso, i vestiti intelligenti con sensori e i tessuti di nuova generazione non sono ancora diventati una parte regolare della nostra vita quotidiana. Ciò è dovuto al fatto che l’elettronica basata sui tessuti, o e‑textile, richiede fonti di energia integrate nel tessuto, il che può influire negativamente sul comfort dell\’utente.

Come alternativa, è stata adottata una via di raccolta energetica direttamente sull\’indumento. I dispositivi fotovoltaici sono esempi di apparecchi che raggiungono una potenza ragionevole ma con tensione relativamente bassa. Inoltre, hanno metodi di fabbricazione complessi e necessitano di luce per fornire energia. Il piezoelettrico è un altro che genera una tensione significativa ma fornisce correnti nell\’ordine dei μA.

Qui, la ricarica wireless può offrire vantaggi notevoli, con i ricercatori che si rivolgono ai MXene e li integrano direttamente nei tessuti.

Per contribuire a rendere gli e‑textile parte del nostro guardaroba, ricercatori della Drexel University hanno collaborato con Accenture Labs in California per costruire una rete energetica tessile completa che può essere ricaricata wireless.

Dettagliando il processo e la fattibilità della costruzione di una rete, lo studio più recente, supportato dal National Institutes of Health, ha riportato l\’uso di un inchiostro a base di MXene per stampare su tessuti di cotone non tessuto.

Questa stampa può essere eseguita facilmente usando metodi di stampa diretta, e l\’inchiostro può essere asciugato a temperatura ambiente e applicato sui tessuti.

La rete energetica indossabile della Drexel University può alimentare elettronica reale, incluso un sensore sEMG, e trasmettere dati in tempo reale. Il team ha anche creato un riscaldatore Joule wireless, alimentato direttamente dalla loro bobina MXene.

MXene: Un Nanomateriale 2D dalle Possibilità Infinite

Creato alla stessa Drexel, il MXene è un tipo di nanomateriale che non solo è altamente conduttivo, ma anche sufficientemente resistente da sopportare il lavaggio, lo stiramento e la piegatura a cui gli indumenti sono sottoposti.

Oltre alla sua conduttività naturale, il MXene è impermeabile alle radiazioni elettromagnetiche e può disperdersi in acqua come una soluzione colloidale stabile. Ciò consente una facile rivestitura dei tessuti con MXene senza necessità di additivi chimici. Il MXene mostra anche una super‑supercapacità e promette nei sensori. Queste nanofoglie possono essere posizionate ovunque e su quasi qualsiasi superficie.

Tutte queste qualità conferiscono al MXene un vantaggio distintivo rispetto ad altri materiali e lo rendono un candidato ideale da integrare nei tessuti per aggiungere funzionalità e generare e immagazzinare energia elettrica. Come ha osservato la Drexel University:

“Le possibilità per i MXene sono infinite.”

Ad esempio, i ricercatori hanno sviluppato una strategia scalabile per fabbricare film ad alte prestazioni di foglie di MXene carburo di titanio con promettenti applicazioni nell\’aerospazio, nella biomedicina e nei dispositivi elettronici flessibili. Altrove, gli scienziati hanno scoperto proprietà di tipo p in un nuovo materiale MXene per potenziare il suo potenziale nelle applicazioni di nanotecnologia. Un altro team sta sbloccando il potenziale del MXene nella catalisi per facilitare l\’uso dell\’ammoniaca come vettore di idrogeno per lo stoccaggio di energia rinnovabile.

In realtà, più di un decennio fa, i ricercatori della Drexel, nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del College of Engineering, hanno scoperto questa famiglia di carburi o nitruri 2D. Con pochi atomi di spessore, la struttura del materiale ha mostrato un enorme potenziale in termini di attributi e utilizzo.

Non esiste un solo MXene; ce ne sono molti diversi e ne sono possibili ancora di più.

“Il cielo è davvero il limite.”

– Yury Gogotsi, professore al College of Engineering della Drexel e direttore dell\’A.J. Drexel Nanomaterials Institute, anni fa

Successivamente, i ricercatori hanno iniziato a esplorare la possibilità di adattare il MXene come rivestimento capace di conferire a un\’ampia gamma di materiali le sue eccezionali proprietà.

Ora, con l\’ultimo proof‑of‑concept, l\’Università ha realizzato un\’altra grande innovazione, un passo importante per la tecnologia indossabile, attualmente limitata dall\’uso di batterie ingombranti e rigide che non sono completamente integrate negli indumenti.

Parlando di come le forniture di energia ingombranti, che richiedono componenti rigidi, non siano ideali, il capo dello studio, Gogotsi, ha spiegato che sono semplicemente scomode e invasive per chi le indossa.

Mentre gli e‑textile possono essere collegati alla presa, l\’alimentazione diretta limita il movimento. Ha aggiunto:

“(Essi) tendono anche a guastarsi nel tempo all\’interfaccia tra l\’elettronica rigida e il tessuto morbido.”

Queste interfacce possono ridurre il comfort dell\’utente e sono soggette a guasti meccanici. C\’è poi il problema della lavabilità degli e‑textile, che è piuttosto difficile da gestire.

Quindi, il team di ricerca della Drexel ha stampato la griglia tessile su un substrato di cotone flessibile e leggero, di dimensioni ridotte.

Include inoltre una bobina risonante stampata, chiamata MX‑coil, che converte le onde elettromagnetiche in energia per abilitare la ricarica wireless. Ci sono anche tre supercondensatori tessili che immagazzinano energia e vengono usati per alimentare i dispositivi.

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Un ‘Patch’ Supercondensatore per l’Accumulo di Energia

Fonte: Drexel University

Dopo aver studiato la durabilità, la conduttività elettrica e la capacità di immagazzinamento energetico dei tessuti funzionalizzati con MXene, che non erano ottimizzati per alimentare elettronica oltre dispositivi passivi come le luci LED, Drexel e Accenture Labs hanno sviluppato questi supercondensatori lo scorso anno.

All’epoca, il team ha riportato che il supercondensatore poteva caricarsi in pochi minuti e poi alimentare un sensore di temperatura e la trasmissione radio dei dati per circa due ore.

Gogotsi, co‑autore dello studio, ha anche osservato all’epoca che per integrare completamente la tecnologia nel tessuto, dobbiamo essere in grado di integrare senza soluzione di continuità anche la sua fonte di energia.

“La nostra invenzione mostra la strada da percorrere per i dispositivi di accumulo energetico tessile.”

– Gogotsi

La facilità con cui il MXene aderisce al tessuto consente al supercondensatore della Drexel di mostrare un’alta densità energetica e supportare applicazioni funzionali, requisito necessario per implementare lo stoccaggio energetico basato sui tessuti in applicazioni reali.

Il patch supercondensatore tessile MXene è stato progettato con l’obiettivo di massimizzare la capacità di accumulo energetico usando il minimo materiale e poco spazio. In questo modo, ha ridotto il costo complessivo di produzione e, allo stesso tempo, ha preservato la flessibilità e la indossabilità dell’indumento.

Ora, per creare il supercondensatore, piccoli campioni di tessuto di cotone intrecciato sono stati immersi in una soluzione di MXene. Successivamente è stato stratificato su un gel elettrolitico di cloruro di litio. Ogni cella del supercondensatore ha due strati tessili, rivestiti con MXene.

Per avere un patch in grado di alimentare dispositivi, cinque celle sono state impilate con un’area di 25 centimetri quadrati per creare un pacco di energia capace di caricarsi a 6 volt. Le celle sono state inoltre sigillate sottovuoto per prevenire il degrado delle prestazioni.

Il supercondensatore del team è stato in grado di alimentare un microcontrollore Arduino Pro Mini da 3,3 V, uno dei più alti output di potenza totale registrati per un dispositivo energetico tessile.

Il microcontrollore è stato anche in grado di trasmettere la temperatura in modalità wireless ogni 30 secondi per 96 minuti. Questa prestazione è stata mantenuta costantemente per oltre 20 giorni.

Abilitare la Ricarica Wireless nei Tessuti

Dopo aver creato il dispositivo di accumulo energetico, cioè un supercondensatore, che fornisce energia più rapidamente di una batteria, il team ha iniziato a lavorare sulla griglia tessile, che includeva una MX‑coil e tre supercondensatori tessili.

Il team ha dimostrato l’efficacia del suo sistema nell’alimentare varie applicazioni e‑textile. Ad esempio, la griglia sviluppata è stata in grado di ricaricarsi wireless a 3,6 volt, sufficiente per alimentare sensori indossabili così come orologi da polso e calcolatrici. Oltre ai piccoli dispositivi, la griglia aveva la capacità di alimentare anche circuiti digitali nei computer.

Durante i test della griglia con piccoli dispositivi elettronici, è stato scoperto che, caricandola per soli 15 minuti, la griglia era in grado di generare energia sufficiente per alimentare piccoli dispositivi per oltre 90 minuti.

Inoltre, dopo aver sottoposto la griglia a un esteso ciclo di lavaggio e piegatura per simulare l’usura a cui è soggetto l’abbigliamento normale, i ricercatori hanno constatato che le prestazioni della griglia erano appena ridotte.

Guidati da Flavia Vitale, PhD, professoressa associata di neurologia, i collaboratori dell’Università della Pennsylvania hanno anche testato il sistema per elettrodi biosensori wireless basati su MXene, chiamati MXtrodes, che monitorano il movimento muscolare.

Oltre alle applicazioni indossabili che richiedono l’accumulo di energia, il team ha mostrato casi d’uso che potrebbero non necessitare di stoccaggio, come “situazioni con utenti relativamente sedentari”, ha dichiarato Alex Inman, PhD, assistente di ricerca con Gogotsi presso l’A.J. Drexel Nanomaterials Institute.

A questo proposito, il team ha usato il sistema per alimentare un array commerciale di sensori di temperatura e umidità insieme a un microcontrollore per trasmettere i dati raccolti in tempo reale. Una ricarica wireless di soli trenta minuti ha alimentato la funzione ad alta intensità energetica della trasmissione in tempo reale dai sensori per 13 minuti.

La MX‑coil è stata inoltre utilizzata per alimentare un elemento riscaldante stampato sul tessuto, un riscaldatore Joule. Ha generato un aumento di temperatura di circa 4 gradi Celsius come prova di concetto. Secondo Gogotsi:

“Molte tecnologie diverse potrebbero essere alimentate dalla ricarica wireless. La cosa principale da considerare nella scelta di un’applicazione è che debba avere senso per un’applicazione indossabile.”

Mentre i sensori biologici, considerati il futuro dell’assistenza sanitaria, possono essere integrati direttamente nei tessuti per aumentare la qualità e l’affidabilità dei dati e migliorare il comfort dell’utente, Gogotsi ha affermato che la loro ricerca dimostra che una rete di alimentazione basata sui tessuti può alimentare un numero qualsiasi di dispositivi periferici.

Dalle tecnologie aptiche indossabili per applicazioni AR/VR come intrattenimento e formazione, ai LED basati su fibre per la moda o la sicurezza sul lavoro e al controllo di elettronica esterna, la loro rete di alimentazione basata sui tessuti ha dimostrato diversi potenziali casi d’uso.

Sebbene sia un grande risultato, è ancora necessario ulteriore lavoro per ottimizzare il design al fine di creare comportamenti risonanti e altri materiali potrebbero essere aggiunti per aumentare l’efficienza. In futuro, i ricercatori della Drexel si concentreranno sull’espansione del sistema senza limitare la sua capacità di integrazione nei tessuti o influire negativamente sulle sue prestazioni.

Nel complesso, i materiali MXene, secondo Gogotsi e Inman, possono svolgere un ruolo fondamentale nel trasformare varie tecnologie in forme tessili.

“Stiamo producendo energia sufficiente dalla ricarica wireless per alimentare molte diverse applicazioni, quindi i prossimi passi riguardano l’integrazione. Un modo importante in cui il MXene può aiutare è che può essere usato per molte di queste funzionalità: tracce conduttive, antenne e sensori.”

– Inman

Aziende Pronte a Beneficiare dalla Realizzazione degli e‑Textile

L’abbigliamento intelligente è un mercato in crescita, attualmente valutato a 5,16 miliardi di dollari, e si prevede che crescerà a un CAGR del 26,2 % dal 2025 al 2030. Con un’attenzione crescente alla salute e al fitness tra gli utenti, i giganti tecnologici come Google (GOOGL ) e Apple (AAPL ) hanno creato tecnologie indossabili e possono potenzialmente beneficiare anche degli e‑textile.

Nel 2019, Levi (LEVI ) ha collaborato con Google per lanciare la sua giacca Trucker intelligente. Essa integrava la tecnologia Jacquard di Google, che consente a una sezione specifica del tessuto di controllare i telefoni cellulari.

I tessuti basati su MXene possono essere utili anche nel settore medico, dove aziende come Medtronic (MDT) possono usarli per fornire comfort e sicurezza.

Ora, esaminiamo due aziende che possono davvero beneficiare dei continui progressi nell’abbigliamento intelligente.

1. Vuzix Corporation

L’abbigliamento intelligente ha ampio potenziale di utilizzo e crescita nei settori della realtà virtuale (VR) e della realtà aumentata (AR). Può contribuire a sfumare i confini tra i mondi fisico e digitale attraverso segnali sensoriali come il feedback aptico, creando esperienze più immersive per l’utente.

Vuzix è un fornitore di tecnologie di visualizzazione AR e VR indossabili. Integrando e‑textile basati su MXene nei suoi dispositivi indossabili, Vuzix può migliorare significativamente l’esperienza dell’utente eliminando le batterie esterne senza limitare il movimento.

Ora, se osserviamo la sua performance di mercato, le azioni della società con capitalizzazione di 76,2 milioni di dollari sono in calo del 44,36 % quest’anno, con un prezzo di $1,22 al momento della stesura. Ha un EPS (TTM) di -1,26 e un P/E (TTM) di -0,92.

Per il secondo trimestre del 2024, la società ha riportato una diminuzione del 77 % dei ricavi totali a $1,1 milioni rispetto a $4,7 milioni nel 2Q23. Questo calo è stato il risultato di vendite di prodotto più basse, in particolare per gli occhiali intelligenti M400.

La perdita lorda per il periodo è stata di $0,3 milioni, a causa di ricavi inferiori che non hanno potuto coprire i costi fissi di produzione. Le spese di Ricerca e Sviluppo, nel frattempo, ammontavano a $2,4 milioni. Al 30 giugno 2024, Vuzix disponeva di liquidità e equivalenti per $9,9 milioni, mentre la sua posizione complessiva di capitale circolante era di $22,1 milioni.

2. Nike

Questo gigante dell’abbigliamento sta esplorando l’abbigliamento intelligente da tempo, e l’integrazione di capi con ricarica wireless basati su MXene potrebbe aiutare Nike a sviluppare abbigliamento sportivo avanzato in grado di monitorare dati biometrici senza compromettere la funzionalità e il comfort dell’utente.

Recentemente, ha presentato Aerogami, una nuova tecnologia di abbigliamento traspirante con prese d’aria reattive all’umidità che si aprono e chiudono autonomamente rilevando il sudore. Aiuta i corridori a regolare meglio la temperatura corporea durante l’esercizio. Con la sua tecnologia di abbigliamento performante, Nike mirava a “creare un prodotto che interagisca con il corpo degli atleti in tempo reale mentre si riscaldano, sudano e si raffreddano”.

Ora, per quanto riguarda la sua situazione finanziaria, Nike è una società con capitalizzazione di 6 miliardi di dollari le cui azioni attualmente scambiano a $77,20, in calo del 28,18 % quest’anno. Ha un EPS (TTM) di 3,49 e un P/E (TTM) di 22,36, con un rendimento da dividendo dell’1,90 %.

Per i risultati finanziari del fiscal 2025 del trimestre conclusosi il 31 agosto 2024, la società ha riportato un fatturato di $11,6 miliardi, un calo del 10 % su base annua. L’utile netto è diminuito del 28 % a $1,1 miliardi. Sebbene Nike abbia affrontato difficoltà negli ultimi anni a causa del rallentamento della domanda dei consumatori, detiene ancora una quota di mercato del 40 % nel settore dell’abbigliamento sportivo.

Nel frattempo, la liquidità e gli equivalenti più gli investimenti a breve termine ammontano a $10,3 miliardi, in aumento di circa $1,5 miliardi rispetto all’anno scorso. I ritorni per gli azionisti hanno continuato a crescere, con $558 milioni pagati in dividendi, mentre $1,2 miliardi sono stati spesi per riacquisti di azioni.

Conclusione

La tecnologia è il settore a più rapida crescita, influenzando quasi ogni aspetto della nostra vita, incluso il nostro guardaroba. Tuttavia, le soluzioni flessibili e allungabili per l’accumulo di energia nei tessuti continuano a rimanere poco sviluppate nella maggior parte dei sistemi e‑textile a causa delle prestazioni insufficienti dei materiali e delle tecnologie attualmente disponibili.

Con la ricerca e l’innovazione continue, potremmo finalmente vedere l’abbigliamento intelligente diventare una realtà. Qui, il materiale straordinario che è il MXene offre grandi promesse grazie alla sua versatilità, che non solo può rendere possibili gli e‑textile, ma ha anche il potenziale di affrontare le future esigenze energetiche.

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