Draadloos opgeladen slimme kledingstukken nu mogelijk met MXene-inktdoorbraak

Dankzij technologische vooruitgang is tegenwoordig alles slim geworden: van telefoons, koelkasten, televisies, horloges, fietsen, auto's en portemonnees tot ovens, brillen, deurbellen, thermostaten en tandenborstels.

Nog iets dat slimmer wordt dan je misschien had verwacht: je kleding. Echt waar! Zelfs kleding en textiel worden slimmer. Stel je textiel voor dat je temperatuur, beweging en druk kan meten en erop kan reageren.

De alomtegenwoordigheid van textiel, het grote oppervlak en de nabijheid van de gebruikers maken het een veelbelovende onderneming om er functionaliteit in te integreren.

Hoewel veel topmodemerken beloftes hebben gedaan, zijn slimme kleding met sensoren en next-gen textiel nog geen vast onderdeel van ons dagelijks leven geworden. Dit komt doordat textielgebaseerde elektronica of e-textiel een voeding in het textiel zelf nodig heeft, wat het comfort van de gebruiker negatief kan beïnvloeden.

Als alternatief is een route van energiewinning op kledingstukken genomen. Fotovoltaïsche apparaten zijn voorbeelden van apparaten die een redelijke output bereiken, maar met een relatief lage spanning. Ook hebben ze ingewikkelde fabricagemethoden en hebben ze licht nodig om stroom te leveren. Piëzo-elektrisch is een ander apparaat dat een aanzienlijke spanning genereert, maar stromen levert in het μA-bereik.

Draadloos opladen kan hierbij aanzienlijke voordelen bieden. Onderzoekers maken daarom gebruik van MXenes en integreren deze rechtstreeks in textiel.

Om e-textiel een vast onderdeel van onze garderobe te maken, hebben onderzoekers van Drexel University samengewerkt met Accenture Labs in Californië. Samen hebben ze een volledig textielenergienetwerk gebouwd dat draadloos kan worden opgeladen.

Het proces en de haalbaarheid van het bouwen van een netwerk in detail beschrijven, de laatste studie, ondersteund door de National Institutes of Health, meldde dat ze inkt met MXene gebruiken om op non-woven katoenen textiel te printen.

Deze bedrukking kan eenvoudig worden uitgevoerd met behulp van directe bedrukkingsmethoden. De inkt kan bij kamertemperatuur worden gedroogd en op textiel worden aangebracht.

Het on-garment energienetwerk van Drexel University kan echte elektronica van stroom voorzien, waaronder een sEMG-sensor, en gegevens in realtime verzenden. Het team creëerde ook een draadloze joule-verwarmer, die rechtstreeks werd gevoed door hun MXene-spoel.

MXene: een 2D nanomateriaal met eindeloze mogelijkheden

MXene wordt bij Drexen zelf ontwikkeld en is een soort nanomateriaal dat niet alleen zeer geleidend is, maar ook bestand is tegen het wassen, uitrekken en vouwen dat kleding moet doorstaan.

Naast zijn natuurlijke geleidbaarheid is MXene ondoordringbaar voor elektromagnetische straling en kan het zich in water verspreiden als een stabiele colloïdale oplossing. Dit maakt het mogelijk om textiel eenvoudig te coaten met MXene zonder dat er chemische toevoegingen nodig zijn. MXene vertoont ook super-supercapaciteit en is veelbelovend in sensoren. Deze nanoflakes kunnen overal en op bijna elk oppervlak worden geplaatst.

Al deze kwaliteiten geven MXene een duidelijk voordeel ten opzichte van andere materialen en maken het een ideale kandidaat om te integreren in textiel om functionaliteit toe te voegen en elektrische energie te genereren en op te slaan. Zoals Drexel University opmerkte:

“De mogelijkheden voor MXenes zijn eindeloos.”

Onderzoekers hebben bijvoorbeeld ontwikkelde een schaalbare strategie om hoogwaardige films van titaniumcarbide MXene-vlokken te fabriceren die veelbelovende toepassingen hebben in de lucht- en ruimtevaart, biomedische technologie en flexibele elektronische apparaten. Elders hebben wetenschappers ongedekt p-type eigenschappen in een nieuw MXene materiaal om het potentieel voor nanotechnologietoepassingen te vergroten. Een ander team is ontgrendelen het potentieel van MXene bij katalyse om het gebruik van ammoniak als waterstofdrager voor de opslag van hernieuwbare energie te vergemakkelijken.

Het is al meer dan tien jaar geleden dat onderzoekers van Drexel, verbonden aan de afdeling Material Science and Engineering van de Faculteit der Ingenieurswetenschappen, deze familie van 2D-carbiden of -nitriden ontdekten. De structuur van het materiaal, slechts enkele atomen dik, toonde een enorm potentieel qua eigenschappen en gebruik.

Er is niet slechts één MXene; er zijn er vele verschillende en dus nog veel meer mogelijk.

“De lucht is werkelijk de grens.”

– Yury Gogotsi, hoogleraar aan het College of Engineering van Drexel en directeur van het AJ Drexel Nanomaterials Institute, jaren geleden

Vervolgens gingen de onderzoekers op zoek naar mogelijkheden om MXene aan te passen als coating, die zijn uitzonderlijke eigenschappen aan een breed scala aan materialen kon verlenen.

Met het nieuwste proof-of-concept heeft de universiteit weer een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Dit is een grote stap voorwaarts voor draagbare technologie, die momenteel nog beperkt wordt door het gebruik van grote, stijve batterijen die niet volledig in kleding zijn geïntegreerd.

De leider van het onderzoek, Gogotsi, legde uit dat omvangrijke energiebronnen met stijve onderdelen niet ideaal zijn. Ze zijn gewoon oncomfortabel en storend voor de drager.

Hoewel e-textiel in het stopcontact kan worden gestoken, beperkt directe stroom de beweging. Hij voegde toe:

“(Ze) hebben ook de neiging om na verloop van tijd te falen op het raakvlak tussen de harde elektronica en het zachte textiel.”

Deze interfaces kunnen het gebruikerscomfort verminderen en zijn gevoelig voor mechanische storingen. Daarnaast is er nog de kwestie van wasbaarheid van e-textiel, wat vrij lastig is.

Daarom printte het onderzoeksteam van Drexel het textielraster op een flexibel, lichtgewicht katoenen substraat, dat slechts een klein stukje groot was.

Het bevat verder een geprinte resonatorspoel, een zogenaamde MX-spoel, die elektromagnetische golven omzet in energie om draadloos opladen mogelijk te maken. Er zijn ook drie textiele supercondensatoren die energie opslaan en worden gebruikt om apparaten van stroom te voorzien.

Klik hier om meer te weten te komen over de stof die warmte in elektriciteit kan omzetten.

Een supercondensator 'patch' voor energieopslag

Bron: Drexel University

Nadat Drexel en Accenture Labs de duurzaamheid, elektrische geleidbaarheid en energieopslagcapaciteit van MXene-gefunctionaliseerde textielproducten hadden onderzocht die niet waren geoptimaliseerd om elektronica van stroom te voorzien die verder ging dan passieve apparaten zoals ledlampen, ontwikkelde deze supercondensatoren vorig jaar.

Het team meldde destijds dat de supercondensator binnen enkele minuten kon worden opgeladen en vervolgens een temperatuursensor en radiocommunicatie van gegevens gedurende ongeveer twee uur van stroom kon voorzien.

Gogotsi, medeauteur van het onderzoek, gaf destijds ook aan dat we, om technologie volledig in textiel te kunnen integreren, ook de energiebron naadloos moeten kunnen integreren.

“Onze uitvinding toont de weg vooruit voor textiele energieopslagapparaten.”

– Gogotsi

Doordat MXene eenvoudig aan de stof hecht, kan de supercondensator van Drexel een hoge energiedichtheid vertonen en functionele toepassingen ondersteunen, wat nodig is om textielgebaseerde energieopslag in de praktijk te implementeren.

De MXene textiel supercondensator patch is ontworpen met als doel de energieopslagcapaciteit te maximaliseren met minimaal materiaalgebruik en beperkte ruimte. Dit verlaagt de totale productiekosten en behoudt tegelijkertijd de flexibiliteit en draagbaarheid van het kledingstuk.

Om de supercondensator te maken, werden kleine stukjes geweven katoentextiel in een MXene-oplossing gedompeld. Vervolgens werd het op een lithiumchloride-elektrolytgel gelegd. Elke supercondensatorcel heeft twee textiellagen, die met MXene zijn gecoat.

Om een ​​patch te hebben die apparaten kan laten werken, werden vijf cellen gestapeld met een oppervlakte van 25 vierkante centimeter om een ​​powerpack te creëren die kan opladen tot 6 volt. De cellen werden ook vacuüm verzegeld om prestatieverslechtering te voorkomen.

De supercondensator van het team kon een Arduino Pro Mini 3.3V-microcontroller van stroom voorzien, wat een van de hoogste totale vermogens ooit was voor een textielenergieapparaat.

De microcontroller kon ook draadloos elke 30 seconden de temperatuur verzenden gedurende 96 minuten. Deze prestatie werd consistent gehandhaafd gedurende meer dan 20 dagen.

Draadloos opladen in textiel mogelijk maken

Nadat het energieopslagapparaat, een supercondensator die sneller energie levert dan een batterij, was gecreëerd, ging het team aan de slag met het textielrooster, dat onder meer bestond uit een MX-spoel en drie textielsupercondensatoren.

Het team toonde de effectiviteit van zijn systeem aan bij het aandrijven van verschillende e-textieltoepassingen. Het ontwikkelde grid kon bijvoorbeeld draadloos opladen met 3.6 volt, wat genoeg is om draagbare sensoren, polshorloges en rekenmachines van stroom te voorzien. Naast kleine apparaten had het grid zelfs de capaciteit om digitale circuits in computers van stroom te voorzien.

Bij het testen van het elektriciteitsnet met kleine elektronische apparaten bleek dat het elektriciteitsnet, door het apparaat slechts 15 minuten op te laden, voldoende energie kon genereren om kleine apparaten ruim 90 minuten van stroom te voorzien.

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de prestaties van het rooster nauwelijks afnamen nadat het uitgebreid was gewassen en gebogen, om de slijtage van normale kleding te simuleren.

Onder leiding van Flavia Vitale, PhD, universitair hoofddocent neurologie, hebben medewerkers van de Universiteit van Pennsylvania het ook getest op draadloze MXene-gebaseerde biosensorelektroden, MXtrodes genaamd, die spierbewegingen monitoren.

Naast toepassingen op kledingstukken waarvoor energieopslag nodig is, liet het team ook de use cases zien die mogelijk geen energieopslag nodig hebben, zoals 'situaties met relatief sedentaire gebruikers', aldus Alex Inman, PhD, onderzoeksassistent bij Gogotsi in het AJ Drexel Nanomaterials Institute.

In dit opzicht gebruikte het team het systeem om een ​​kant-en-klare reeks temperatuur- en vochtigheidssensoren van stroom te voorzien, samen met een microcontroller om de verzamelde gegevens in realtime uit te zenden. Een draadloze lading van slechts een half uur voedde de energie-intensieve functie van realtime-uitzendingen van de sensoren gedurende 13 minuten.

De MX-coil werd verder gebruikt om een ​​geprint, op textiel aangebracht verwarmingselement, een Joule-verwarming, van stroom te voorzien. Het genereerde een temperatuurwinst van ongeveer 4 graden Celsius als een proof-of-concept. Volgens Gogotsi:

“Veel verschillende technologieën kunnen worden aangestuurd door draadloos opladen. Het belangrijkste om te overwegen bij het kiezen van een applicatie is dat het logisch moet zijn voor een draagbare applicatie.”

Biologische sensoren vormen de toekomst van de gezondheidszorg en kunnen rechtstreeks in textiel worden geïntegreerd om de kwaliteit en betrouwbaarheid van gegevens te verbeteren en het gebruikerscomfort te vergroten. Gogotsi gaf echter aan dat hun onderzoek aantoont dat een op textiel gebaseerd elektriciteitsnet een willekeurig aantal randapparaten van stroom kan voorzien.

Van draagbare haptiek voor AR/VR-toepassingen zoals entertainment en training tot op vezels gebaseerde LED's voor mode of veiligheid op het werk en de aansturing van externe elektronica: hun op textiel gebaseerde elektriciteitsnet heeft diverse potentiële toepassingsmogelijkheden laten zien.

Hoewel het een grote prestatie is, is er nog meer werk nodig om het ontwerp te optimaliseren om resonante gedragingen te creëren en andere materialen kunnen ook worden toegevoegd om de efficiëntie te verhogen. In de toekomst zullen de onderzoekers van Drexel zich richten op het opschalen van het systeem zonder de mogelijkheid om te worden geïntegreerd in textiel te beperken of de prestaties negatief te beïnvloeden.

Volgens Gogotsi en Inman kunnen MXene-materialen een belangrijke rol spelen bij het omzetten van verschillende technologieën in textielvormen.

"We produceren genoeg stroom uit het draadloos opladen om veel verschillende toepassingen van stroom te voorzien, dus de volgende stappen komen neer op integratie. Een belangrijke manier waarop MXene hierbij kan helpen, is dat het voor veel van deze functionaliteiten kan worden gebruikt: geleidende sporen, antennes en sensoren."

– Inman

Bedrijven die kunnen profiteren van de realiteit van e-textiel

Slimme kleding is een groeiende markt, waarvan de waarde momenteel wordt geschat op $ 5.16 miljard, en het wordt geprojecteerd om te groeien met een CAGR van 26.2% van 2025 tot 2030. Met een groeiende focus op gezondheid en fitness onder gebruikers, techgiganten zoals Google (GOOGL -1.8%) en Appel (AAPL -0.83%) hebben draagbare technologie ontwikkeld en kunnen mogelijk ook profiteren van e-textiel.

Terug in 2019, Levi (LEVI + 0.52%) werkte samen met Google om zijn slimme Trucker Jacket te lanceren. Het was voorzien van Google's Jacquard-technologie, waarmee een specifiek stuk stof gebruikt kan worden om mobiele telefoons te bedienen.

Textiel op basis van MXene kan ook waardevol zijn in de medische wereld, waar bedrijven als Medtronic (MDT) het kunnen gebruiken om comfort en veiligheid te bieden.

Laten we nu eens kijken naar twee bedrijven die echt kunnen profiteren van de voortdurende ontwikkelingen op het gebied van slimme kleding.

1. Vuzix Corporation (VUZI -4.27%)

Slimme kleding heeft veel mogelijkheden voor gebruik en groei in de virtual reality (VR) en augmented reality (AR) industrieën. Het kan helpen de grenzen tussen de fysieke en online wereld te vervagen door middel van sensorische signalen zoals haptische feedback, wat zorgt voor meer meeslepende ervaringen voor de gebruiker.

Vuzix is ​​een leverancier van draagbare AR- en VR-displaytechnologie. Door MXene-gebaseerde e-textielen te integreren in zijn wearables, kan Vuzix de gebruikerservaring aanzienlijk verbeteren door externe batterijpakketten te elimineren zonder de bewegingsvrijheid van de gebruiker te beperken.

Als we nu eens kijken naar de marktprestaties, dan zijn de aandelen van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $76.2 miljoen dit jaar met 44.36% gedaald, aangezien ze op het moment van schrijven voor $1.22 worden verhandeld. Het heeft een EPS (TTM) van -1.26 en een P/E (TTM) van -0.92.

Voor het tweede kwartaal van 2024 verwacht het bedrijf gerapporteerd een daling van 77% in de totale inkomsten tot $ 1.1 miljoen versus $ 4.7 miljoen in 2Q23. Deze daling was het resultaat van lagere productverkopen, met name voor M400 smart glasses.

Het brutoverlies over de periode bedroeg $ 0.3 miljoen, wat het gevolg was van lagere inkomsten die de vaste productiekosten van het bedrijf niet konden dekken. De onderzoeks- en ontwikkelingskosten bedroegen $ 2.4 miljoen. Per 30 juni 2024 beschikte Vuzix over liquide middelen van $ 9.9 miljoen, terwijl de totale werkkapitaalpositie $ 22.1 miljoen bedroeg.

2. Nike (NKE + 0.41%)

Deze kledinggigant houdt zich al enige tijd bezig met slimme kleding. Door draadloze oplaadkleding met MXene te integreren, kan Nike geavanceerde sportkleding ontwikkelen die biometrische gegevens kan bijhouden zonder dat dit ten koste gaat van de functionaliteit en het comfort van de gebruiker.

Onlangs is het onthuld Aerogami, een nieuwe ademende kledingtechnologie met vochtreactieve ventilatieopeningen die automatisch openen en sluiten wanneer ze zweet detecteren. Het helpt hardlopers hun lichaamstemperatuur beter te reguleren tijdens het sporten. Met deze prestatiegerichte kledingtechnologie wilde Nike "een product creëren dat in realtime met het lichaam van atleten communiceert terwijl ze opwarmen, zweten en afkoelen."

Laten we nu eens naar de financiële kant kijken: Nike is een bedrijf met een marktkapitalisatie van $ 6 miljard, waarvan de aandelen momenteel worden verhandeld voor $ 77.20, een daling van 28.18% dit jaar. Het heeft een EPS (TTM) van 3.49 en een P/E (TTM) van 22.36, terwijl het een dividendrendement van 1.90% uitkeert.

Voor de financiële resultaten van het fiscale jaar 2025 voor het kwartaal dat eindigde op 31 augustus 2024, heeft het bedrijf gerapporteerd een omzet van $ 11.6 miljard, een daling van 10% jaar-op-jaar. De nettowinst daalde ook met 28% tot $ 1.1 miljard. Hoewel Nike de afgelopen jaren worstelde met de afnemende consumentenvraag, heeft het nog steeds een marktaandeel van 40% in de sportkledingindustrie.

Ondertussen zitten de liquide middelen en kortetermijnbeleggingen op $ 10.3 miljard, ongeveer $ 1.5 miljard meer dan vorig jaar. De rendementen voor aandeelhouders bleven stijgen, met $ 558 miljoen aan uitgekeerde dividenden, terwijl $ 1.2 miljard werd uitgegeven aan aandeleninkopen.

Conclusie

Technologie is de snelst groeiende sector en beïnvloedt bijna elk gebied van ons leven, inclusief onze garderobe. Flexibele en rekbare textielenergieopslagoplossingen blijven echter onderontwikkeld ten opzichte van de meeste e-textielsystemen vanwege de ontoereikende prestaties van de momenteel beschikbare materialen en technologieën.

Met voortdurend onderzoek en innovatie kunnen we eindelijk slimme kleding werkelijkheid zien worden. Hier biedt het wondermateriaal MXene een grote belofte met zijn veelzijdigheid, die niet alleen e-textiel mogelijk kan maken, maar ook de potentie heeft om toekomstige energiebehoeften aan te pakken.

Klik hier om te ontdekken hoe tribo-elektrische sensoren een belangrijke rol zullen spelen in de volgende generatie wearables.