エネルギー
スマートファブリックが熱を電気に変換する
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外部電源を必要とせずに、温度をモニタリングし、活動を追跡し、または自動で快適さを保つ服を想像してみてください。
実際、テクノロジーと衣料の交差点で進む研究開発のおかげで、これらすべてが急速に現実となりつつあります。
技術の進歩は、スマートフォンや家庭用電化製品をより賢くすることで私たちの生活を変えてきました。現在、衣服さえもスマート化し、エキサイティングでより持続可能な未来への道を切り開く可能性が広がっています。
世界のスマートテキスタイル市場はすでに41億ドルと評価されており、2032年までに245億ドルに拡大すると予測されています。興味深いことに、エネルギーハーベスティングは現在この市場で最大のシェアを占めていると、Markets and Marketsが報告しています。
エネルギーハーベスティングは、周囲のエネルギーを電気エネルギーに変換し、自律的な電子デバイスに電力を供給することです。このエネルギーは、機械的エネルギーや熱エネルギーなどさまざまな源から収集できます。エネルギーハーベスティングテキスタイルを作成するために、活性材料は通常、テキスタイルの表面に付加するか、織り込むか刺繍して使用されます。
このようなスマートファブリックは、エネルギーが有限であるため再充電や定期的な交換が必要なバッテリーの代替として利用できる可能性があります。ウェアラブルテキスタイルの用途では、バッテリーは硬くかさばり、洗濯前に取り外す必要があるため、改善が求められています。
まだ比較的初期段階にあるものの、技術の進歩、デザイン、消費者需要、ミニチュア化、政府の政策など複数の要因により、この分野は急速に成長しています。
それでは、この分野のエキサイティングなイノベーションと、私たちが着用する服の文字通りのパワーを見てみましょう！
体熱を電気に変換するスマートファブリック
最も最近で電気的な開発は、ウォータールー大学の研究者と江南大学のテキスタイル科学・工学の主要機関が協力して、体熱と太陽光から電力を生成するスマートファブリックを作り出したことです。
このスマートファブリックは、電力を生成し、健康指標を観測し、身体活動を追跡する能力を持っています。これらのセンサーにより、ファブリックは温度変化を検知し、圧力、ストレス、化学組成をモニタリングできます。
このファブリックの有望な応用例は、温度と呼吸速度を追跡し、化学物質を検出して肺がんやウイルスなどの状態を特定するのに役立つスマートフェイスマスクです。ウォータールー大学のプリンタブルエレクトロニクス材料ラボのディレクターで化学工学部の教授である李雲英（Yuning Li）によれば：
私たちは多機能センシング能力と自己発電可能性を備えたファブリック材料を開発し、スマートファブリックの実用化に一歩近づきました。
チームが設計したファブリックは柔軟で、MXeneベースの熱電材料であり、ひずみ刺激と温度を正確に測定できます。これを実現するために、チームはナイロンファブリックの表面に接着性ポリドーパミン（PDA）の層を形成し、水素結合を通じてMXeneの付着を促進しました。
MXeneは、層状構造、柔軟性、大表面積、電気・金属導電性、生体適合性、親水性、サイズ調整可能性、豊富な表面化学など、希少な特性の組み合わせで多くの注目を集めています。研究は次のように述べています：
結果として得られたMXeneベースの熱電ファブリックは、優れた温度検出能力とサイクル安定性を示すだけでなく、卓越した感度、迅速な応答性（60ミリ秒）、およびひずみセンシングにおける驚異的な耐久性（3200サイクル）も提供します。
この新しいファブリックは、市場の他のファブリックよりもコスト効果が高く、耐久性と安定性に優れているだけでなく、頻繁に充電が必要な現在のウェアラブルデバイスとは異なり、外部電源を必要とせずに動作できます。このように、導電性ポリマーとMXeneを最新のファブリック技術と統合することで、スマートファブリックの進化に大きな可能性があることが示されています。
AIを含む技術のさまざまな進展に注目し、AIは健康モニタリングや食品・医薬品の保存のための高度な信号処理を急速に提供しています。李氏は、これらすべての進歩は「包括的なデータ収集」に依存しており、従来のセンサーは（しばしばかさばり、高価で扱いにくい）ため実現できないと主張しました。これにより、スマートファブリックに組み込まれた印刷センサーは、継続的なデータ収集とモニタリングに理想的であると付け加えました。
この革新的なファブリックは、これらの応用を実現可能にする上で重要な進展を示していますが、研究者は現在、ファブリックの機能向上と電子システムへの統合に注力しています。将来的には、スマートフォンアプリがこの開発の一部となり、ファブリックからのデータをヘルスケア専門家にリアルタイムで非侵襲的に伝えることができるようになるかもしれません。
未来を切り開くファブリック
スマートウェアの進歩はしばらく前から急速に進んでいます。2016年、ジョージア工科大学（アトランタ）の研究者は、作成した太陽光と動きからエネルギーを収集できるマイクロケーブル電力ファブリックを作成しました。
このために、科学者たちは細い繊維ベースの太陽電池とトリボエレクトリックナノジェネレータを糸に織り込みました。その結果得られたスマートファブリックは厚さ320μmの単層で、テントやカーテン、さまざまな衣類に組み込むことができました。研究によれば、このテキスタイルは携帯電話を直接充電し、電子時計に継続的に電力を供給できました。
シンガポールのNTUの科学者たちも、身体の動きを電気に変える「ファブリック」の開発に成功しました。この伸縮性かつ防水性のファブリックを作るために、科学者は圧力や絞りなどの機械的力を電気エネルギーに変換するポリマーを使用しました。ファブリックは伸縮性スパンデックスのベース層を持ち、さらに柔軟で強靭、防水性を持つゴム状素材と統合されています。
実験では、チームはこのファブリックの小片を叩くことで電力が生成され、100個のLEDを効果的に点灯させられることを実証しました。また、洗濯、しわ、折りたたみを行っても性能に悪影響はなく、最大5か月間安定した電力出力を維持できました。
私たちは、これをTシャツに織り込んだり、靴底に統合したりして、身体の微小な動きからエネルギーを収集し、モバイルデバイスに電力を供給できると考えています。
– 研究リーダー Lee Pooi See、材料科学者、NTU副学長教授
スマートファブリックは多くの研究開発の対象ですが、コスト効率は大きな課題です。また、実用性の欠如も時に問題となります。
これらの課題に対処するため、研究者は従来の衣料と同じ機械を使用して低コストで製造できる次世代スマートテキスタイルを開発しました。研究者はまず、伸縮に耐える材料で繊維をコーティングすれば従来の織り工程と互換性があることを実証しました。現在、スマートテキスタイルは自動化プロセスでも製造でき、サイズや形状に制限がありません。
これは始まりに過ぎません。スマートテキスタイルへの関心が高まることで、他にも多くの興味深いイノベーションが生まれています。例えば、この進歩により、布地に埋め込むかジャケットとして着用できるウェアラブルデバイスが開発されました。このデバイスは、天候に関係なく、ナイトビジョンゴーグルなどの熱検知センサーから着用者をカモフラージュします。
デバイスの表面は周囲の温度に合わせて迅速に加熱または冷却され、着用者の体熱を隠しますが、内部は人間の皮膚と同じ温度を保ちます。
一方、シンガポール国立大学では、布地、海塩、カーボンインク、特殊な吸水ゲルを使用した湿度駆動型電力生成（MEG）デバイスを開発しました。布地の一端を常に湿らせ、もう一端を乾燥させることで、炭素コーティングされた布が電流を生成し、150時間以上電力を供給できました。実質的にバッテリーとして機能し、従来のAA電池よりも高い電力出力を示し、日常の電子機器を駆動する可能性を示しました。
MEGデバイスの概念は、さまざまな材料が空気中の湿気と相互作用して電気を生成する能力に基づいています。これにより、ウェアラブルエレクトロニクスや情報保存デバイスなど、さまざまな実用的用途に適していることが示されています。
エンジニアは糸からトランジスタや電子デバイスも作製しています。そのような研究の一つでは、細い糸を布に織り込んで、皮膚に装着できるか外科的に埋め込んで診断モニタリングに使用できる電子デバイスを作成しました。
最初の糸ベーストランジスタ（TBT）は、糸ベースのセンサーと組み合わせて、完全に柔軟で多重化可能なデバイスの作成を可能にしました。ここでのTBTは、リネン糸に炭素ナノチューブをコーティングして電子が移動できる半導体表面を作り、2本の細い金線に接続し、そのうちの1本は電解質を含むゲルに接続しました。
研究著者であるTufts大学工学部電気・コンピュータ工学教授のSameer Sonkusaleによれば：
疾患治療や患者の健康モニタリングにおいて、バイオマーカーのリアルタイム測定が重要となる医療応用は多数あります。患者がほとんど感じないほど柔らかく柔軟な診断モニタリングデバイスを完全に統合できる能力は、非常に強力です。
変化する温度に適応するインテリジェントファブリック
探求されているスマートテキスタイルの別の側面は、温度適応型ファブリックで、電力を要する暖房や冷房システムの必要性を減らすことでエネルギー効率を向上させます。
この文脈で、香港理工大学の最新研究（今週発表）は、通気性と熱絶縁性を備えたソフトロボティック衣料を紹介しており、環境温度の変化に自動的に適応し、暑い環境での作業者の安全を確保します。
数年前の米国化学会（American Chemical Society）の興味深い研究では、熱を転送し、皮膚からの水分蒸発を可能にすることで、電力を使用せずに着用者を冷却する素材が開発されました。
米国における電力使用の大部分を占める空調やその他の冷却方法に対し、研究者は全室ではなく個人の体を冷却するというターゲットアプローチを採用しました。
衣類やテキスタイルはすでにその目的で設計されていますが、多くはコストが高く、冷却能力が低く、電力消費が大きいです。そこで、研究者はポリマー（特に撥水性ポリマー）と熱伝導性フィラーをエレクトロスピニングし、ナノファイバーメンブレンを作製しました。
これらのメンブレンは、皮膚からの汗の蒸発と空気の循環を可能にしつつ、外部からの水をはじくほどの大きな孔を持っていました。研究は、個人の冷却に加えて、海水淡水化、太陽エネルギー収集、電子機器の熱管理にも有用であると指摘しています。
米国化学会からは、夏は涼しく冬は暖かい新しいテキスタイルも発表されました。これはこの点でユニークです。スマートテキスタイルは着用者を暖めたり冷やしたりすることは知られていますが、両方を実現できるファブリックはあまり一般的ではありません。この強靭で快適なファブリックはエネルギー入力も不要です。
このスマートファブリックを作るために、科学者は甲殻類の外骨格由来のキトサンとシルクを凍結紡糸し、色付きの多孔性微細構造を持つ繊維にし、そこにポリエチレングリコール（PEG）という相変化ポリマーを充填しました。糸はポリジメチルシロキサンでコーティングされ、熱エネルギーを吸収・放出する液体PEGが漏れ出さないようにしました。
研究者は、このファブリックが柔軟で強靭かつ撥水性であることを確認するため、ポリエステル手袋に組み込んだ布に織り込んでテストしました。人が着用し、熱いチャンバー（122°F）に置くと、固体PEGが熱を吸収して液体に溶け、皮膚を冷却しました。逆に、寒い環境（50°F）にさらすと、PEGが固体に戻り熱を放出して皮膚を温めました。
研究者によれば、このファブリックは既存のテキスタイル産業と互換性があるため、大量生産に拡大できるとのことです。
スマートウェアでモーションキャプチャを学び、スポーツと理学療法を変える方法についてはこちらをご覧ください。
エネルギーハーベスティングスマートファブリックに関わる企業
それでは、スマートファブリック分野でイノベーションを起こしている企業を見てみましょう：
#1. Adidas
同社は10年前に最初のスマートシューズを発売しました。そのシューズにはセンサー、マイクロプロセッサ、電動モーター、そしてスマートエレクトロニックテキスタイル素材が搭載されていました。
2021年、Adidasは新しいテキスタイルイノベーション「STRUNG」を発表しました。これは業界初のテキスタイルおよび製造プロセスと説明されています。このイノベーションにより、Adidasは選択されたデザインをSTRUNGロボットに送る前に、さまざまな構造を構築・テストできます。この製品コンセプトは、特定のランナープロファイル向けに完全にデータ駆動されたフットウェアです。
Adidasの時価総額は430億ドルで、株価は119.58ドル（年初来16.74%上昇）で取引されています。EPS（TTM）は-0.37、P/E（TTM）は-325で、配当利回りは0.32%（CNBCによる）です。2024年第2四半期には、ドイツのスポーツウェア企業は売上高58.2億ユーロ、純利益1.96億ユーロ、利益率3.4%（前期第2四半期の1.6%から上昇）を報告しました。
#2. DuPont De Nemours
スマートウェアの分野で、DuPontはIntexar™を通じて伸縮性電子リンクを発売しました。このスマートウェア技術は、普通の布地をアクティブでインテリジェントな衣服に変え、心拍数、呼吸数、筋肉の緊張といった重要なバイオメトリックデータを提供します。
DuPontの時価総額は334.7億ドルで、株価は80.19ドル（年初来4.22%上昇）で取引されています。EPS（TTM）は0.72、P/E（TTM）は111.16で、配当利回りは1.90%（CNBCによる）です。2024年第2四半期には、同社は純売上高が2%増の32億ドル、調整後フリーキャッシュフローが53%増の4.25億ドルと報告しました。
DD 価格チャート
スマートウェアに取り組む他の有力企業として、英国拠点のPiretaは、衣服の性能やドレープに影響を与えずに導電性を付与する独自の添加プロセスを開発しました。また、Collebakのソーラー充電ジャケットは昼間に光を吸収し、夜間に放出します。Xenomaのe-skinは、身体の動きと生理データをモニタリングするセンサーを組み込んだスマートシャツです。OMSIGNALは、エネルギーハーベスティングテキスタイルを使用して、布に埋め込まれたセンサーに電力を供給し、心拍数、呼吸、その他のバイタルサインをモニタリングするバイオセンシングアパレルを提供しています。
Applied Materials (AMAT ) 、Nike、SolarEdge Technologies (SEDG ) 、Smartex、Sensoriaもこの分野で取り組んでいます。
ヨーロッパでは、複数の企業が協力してGRAPHERGIAプロジェクトを立ち上げ、テキスタイルとバッテリーシステムにおけるエネルギー収集方法を変革することを目指しています。このプロジェクトは昨年末に開始され、身体に適応し自己充電するスマートテキスタイルの先駆けとなっています。
私たちは、服が見た目だけでなく、デバイスに電力を供給し、センサーとして機能し、IoT（モノのインターネット）とシームレスに接続する世界を想像しています。
– GRAPHERGIAプロジェクトコーディネーター、Prof. Spyros Yannopoulos
結論
上記で紹介したすべてのエキサイティングなイノベーションにより、ファッションは見た目でのパワーを放つだけでなく、文字通り電力を生成する手段となっています。テキスタイルにエネルギーハーベスターを統合することで、環境に優しく、広範囲で持続可能なウェアラブルエネルギーソリューションを実現できます。
エネルギー効率の高いファブリックは、明らかにファッションの未来として浮上しており、ウェアラブルテクノロジーの全く新しい世界を切り開いています。唯一の制限は私たちの想像力です。
