Smart stoff konverterer varme til elektrisitet

Forestill deg klær som overvåker temperaturen din, sporer aktiviteten din, eller holder deg varm helt på egen hånd uten å trenge en ekstern strømkilde.

Vel, alt dette og mer er i ferd med å bli en realitet takket være all forskningen og utviklingen som skjer i skjæringspunktet mellom teknologi og klær.

Teknologisk fremgang har forvandlet livene våre ved å gjøre telefonene og husholdningsapparatene smartere. Nå blir også klærne våre smarte, og åpner for muligheter som baner vei for en spennende og mer bærekraftig fremtid.

Det globale markedet for smarte tekstiler er allerede verdsatt til 4,1 milliarder dollar og forventes å stige til 24,5 milliarder dollar innen 2032. Interessant nok utgjør energihøsting for øyeblikket den største andelen av dette markedet, ifølge Markets and Markets.

Energihøsting konverterer omgivende energi til elektrisk energi for å drive autonome elektroniske enheter. Denne energien kan høstes fra ulike kilder, inkludert mekanisk og termisk. For å lage energihøstende tekstiler blir aktive materialer vanligvis lagt til tekstilens overflate eller vevd eller brodert inn i den.

Slike smarte stoffer kan potensielt brukes som et alternativ til batterier, som krever lading eller periodisk utskifting fordi de kun inneholder en begrenset mengde energi. I bærbare tekstilapplikasjoner har batterier en tendens til å være stive, klumpete gjenstander som må fjernes før vask, og derfor trenger forbedring.

Selv om sektoren fortsatt er i en relativt tidlig fase, vokser den raskt, drevet av en kombinasjon av faktorer, inkludert teknologiske fremskritt, design, forbrukeretterspørsel, miniaturisering og offentlige retningslinjer.

La oss nå se på de spennende innovasjonene i sektoren og den bokstavelige kraften i klærne vi har på oss!

Smart stoff for å konvertere kroppsvarme til elektrisitet

En av de mest nylige og spennende utviklingene ble gjort av forskere fra University of Waterloo i samarbeid med en ledende institusjon innen tekstilvitenskap og -ingeniørkunst ved Jiangnan University, som skapte et smart stoff som konverterer termisk energi fra kroppen og sollys til elektrisk kraft.

Dette smarte stoffet har evnen til å generere strøm, observere helsemålinger og spore fysisk aktivitet. Disse sensorene gjør det mulig for stoffet å oppdage temperaturendringer og overvåke trykk, belastning og kjemisk sammensetning.

En lovende anvendelse av dette stoffet er smarte ansiktsmasker som kan spore temperaturen og pustefrekvensen din, samt oppdage kjemikalier for å hjelpe med å identifisere tilstander som lungekreft og virus. Ifølge Yuning Li, direktør for Printable Electronic Materials Lab ved Waterloo og professor i instituttet for kjemisk ingeniørkunst:

“Vi har utviklet et stoffmateriale med multifunksjonelle sensorkapasiteter og selvforsynt potensial som bringer oss nærmere praktiske anvendelser for smarte stoffer.”

Stoffet designet av teamet er fleksibelt, MXene-basert, termoelektrisk, og kan nøyaktig bestemme strekkstimuli og temperatur. For å oppnå dette utviklet teamet et lag av klebrig polydopamin (PDA) på overflaten av nylonstoffet, som muliggjorde MXene-tilknytning gjennom hydrogenbindinger.

MXene har fått mye oppmerksomhet for sin sjeldne kombinasjon av egenskaper som lagdelt struktur, fleksibilitet, stort overflateareal, elektrisk og metallisk ledningsevne, biokompatibilitet, hydrofilitet, justerbar størrelse og rik overflatekjemi. Studien bemerket:

“Det resulterende MXene-baserte termoelektriske stoffet viser enestående temperaturdeteksjonsevne og syklisk stabilitet, samtidig som det leverer utmerket følsomhet, rask respons (60 ms) og bemerkelsesverdig holdbarhet i strekkmåling (3200 sykluser).”

Det nye stoffet er ikke bare mer kostnadseffektivt, holdbart og stabilt enn andre stoffer på markedet, men i motsetning til dagens bærbare enheter som krever hyppig lading, kan dette operere uten å trenge en ekstern strømkilde. På denne måten viser forskningen det enorme potensialet i å integrere ledende polymerer og MXene med moderne tekstilteknologi for utviklingen av smarte stoffer.

Med tanke på den ulike fremgangen innen teknologi, inkludert AI, som utvikler seg raskt for å tilby avansert signalbehandling for helsesporing og bevaring av mat og legemidler, argumenterte Li for at alle disse fremskrittene er avhengige av ‘omfattende datainnsamling, som tradisjonelle sensorer – ofte klønete, dyre og uhåndterlige – ikke klarer å oppnå.’ Dette gjør trykte sensorer, integrert i smarte stoffer, ideelle for kontinuerlig datainnsamling og overvåking, la Li til.

Mens dette innovative stoffet markerer betydelig fremgang i å gjøre disse anvendelsene mulige, vil forskerne nå fokusere på å ytterligere forbedre stoffets kapasiteter og integrere det med elektroniske systemer. En smarttelefonapp kan også bli en del av denne fremtidige utviklingen for å spore og overføre data fra stoffet til helsepersonell for sanntids, ikke-invasiv helsesporing.

Banebrytende stoffer for fremtiden

Fremskritt innen smarte klær har skjedd raskt en stund nå. I 2016 utviklet forskere fra Georgia Institute of Technology i Atlanta et utviklet et mikrokabelkraftstoff som kunne høste energi fra sollys og bevegelse.

For dette vevde forskerne tråden med tynne, fiberbaserte solceller og triboelektriske nanogeneratorer. Det resulterende smarte stoffet hadde et 320 μm tykt enkelt lag og kunne integreres i telt, gardiner og ulike klær. Tekstilet, ifølge studien, kunne direkte lade en mobiltelefon og kontinuerlig drive en elektronisk klokke.

NTU Singapore-forskere utviklet også med suksess et ‘stoff’ som omdanner kroppsbevegelse til elektrisitet. For å lage dette strekkbare og vanntette stoffet brukte forskerne en polymer som konverterte mekanisk kraft, som trykk eller klemme, til elektrisk energi. Stoffet har et grunnlag av strekkbar spandex og er også integrert med et gummilignende materiale som gjør det fleksibelt, sterkt og vanntett.

I et eksperiment demonstrerte teamet at tapping på et lite stykke av dette stoffet produserte elektrisk energi som effektivt kunne lyse opp hundre LED-lys. I tillegg påvirket vask, krølling eller bretting av stoffet ikke ytelsen negativt, og det kunne opprettholde stabil elektrisk utgang i opptil fem måneder.

“Vi tror det kan veves inn i t‑skjorter eller integreres i sålene på sko for å samle energi fra kroppens minste bevegelser, og lede strøm til mobile enheter.”

– Studieleder Lee Pooi See, materialforsker, og NTU associate provost professor

Selv om smarte stoffer er gjenstand for mye forskning og utvikling, forblir kostnadseffektiviteten en stor utfordring. Deres mangel på praktisk anvendelse kan også av og til være et problem.

For å løse disse problemene har forskere utviklet neste generasjons smarte tekstiler som kan produseres rimelig ved å bruke de samme maskinene som i konvensjonell klesproduksjon. Forskerne demonstrerte først at belegning av fibre med materialer som tåler strekk kan være kompatibel med tradisjonelle veveprosesser. Nå kan smarte tekstiler også lages ved hjelp av automatiserte prosesser, uten begrensninger på størrelse eller form.

Dette er bare begynnelsen, da all denne interessen for smarte tekstiler fører til mange andre interessante innovasjoner. For eksempel har denne fremgangen også ført til utviklingen av en bærbar enhet som kan integreres i stoff eller bæres som en jakke. Den kan kamuflere brukeren fra varmedeteksjonssensorer, som nattkikkerter, uansett vær.

Mens enhetens overflate varmes opp eller kjøles ned raskt for å matche omgivelsestemperaturen, og skjuler brukerens kroppsvarme, forblir innsiden på samme temperatur som menneskelig hud.

Samtidig utviklet forskere ved National University of Singapore en fuktighetsdrevet elektrisitetsgenereringsenhet (MEG) ved bruk av stoff, sjøsalt, karbonblekk og en spesiell vannabsorberende gel. Ved å holde den ene enden av stoffet alltid våt og den andre tørr, genererte det karbonbelagte stoffet en elektrisk strøm med kapasitet til å produsere strøm i over 150 timer. Den fungerte i hovedsak som et batteri og leverte høyere elektrisk utgang enn et konvensjonelt AA-batteri, noe som viser potensialet til å drive hverdagslige elektroniske enheter.

MEG-enhetens konsept er bygget på evnen til ulike materialer til å generere elektrisitet fra interaksjon med fuktighet i luften. Dette demonstrerer dens egnethet for ulike praktiske bruksområder, som bærbar elektronikk og informasjonslagringsenheter.

Ingeniører har også laget transistorer og elektroniske enheter fra tråd. En slik forskning involverte å veve tynne tråder inn i stoff for å skape elektroniske enheter som kan bæres på huden eller implanteres kirurgisk for diagnostisk overvåking.

De første trådbaserte transistorene (TBT-er) ble kombinert med trådbaserte sensorer for å muliggjøre skapelsen av helt fleksible, multiplekserte enheter. TBT-en her involverte belegning av en lintråd med karbonnanorør for å skape en halvlederoverflate for elektroner å bevege seg på, og deretter tilkobling til to tynne gulltråder, hvorav en var festet til en elektrolyttinfusert gel.

Ifølge studiens forfatter Sameer Sonkusale, professor i elektroteknikk og datateknikk ved Tufts University School of Engineering:

“Det finnes mange medisinske anvendelser hvor sanntidsmåling av biomarkører kan være viktig for behandling av sykdom og overvåking av pasientens helse. Evnen til fullt integrere en myk og fleksibel diagnostisk overvåkingsenhet som pasienten knapt merker, kan være svært kraftfull.”

Intelligente stoffer som tilpasser seg endrede temperaturer 

En annen dimensjon av smarte tekstiler som utforskes er temperaturtilpassende stoff, som forbedrer energieffektiviteten ved å redusere behovet for oppvarmings- eller kjølesystemer med strøm.

I denne sammenhengen introduserer ny forskning fra Hong Kong Polytechnic University, publisert denne uken, pustende og termisk isolert myk robotikkklær som automatisk kan tilpasse seg endrede omgivelsestemperaturer, og bidrar til å sikre arbeidstakers sikkerhet i varme omgivelser.

Interessant forskning fra American Chemical Society for noen år siden involverte utvikling av et materiale som kjøler brukeren uten bruk av elektrisitet ved å overføre varme og la fuktighet fordampe fra huden.

Med klimaanlegg og andre kjølemetoder som står for en betydelig del av strømforbruket i USA, tok forskerne en målrettet tilnærming ved å kjøle ned en persons kropp i stedet for et helt rom.

Selv om klær og tekstiler allerede er designet for å gjøre nettopp dette, har de fleste høye kostnader, dårlig kjølekapasitet og stort strømforbruk. Derfor laget forskerne det nye materialet ved elektrospinning av en polymer, spesifikt en vannavstøtende polymer, og et termisk ledende fyllstoff inn i nanofibremembraner.

Disse membranene hadde store nok porer til å la svette fordampe fra huden og luft sirkulere, samtidig som de avviste vann fra utsiden. Studien bemerket at i tillegg til personlig kjøling, kunne membranen også være nyttig for avsalting av sjøvann, solenergiinnsamling og termisk styring av elektroniske enheter.

Fra American Chemical Society kom også et nytt tekstil som ikke bare holder deg kjølig om sommeren, men også varm om vinteren, noe som gjør det unikt på dette området. Mens smarte tekstiler har vært kjent for å varme eller kjøle brukeren, er stoff som kan gjøre begge deler ikke særlig vanlig. Dette sterke, men komfortable stoffet krever heller ingen energiinntak.

For å lage dette smarte stoffet, fryse-spunnet forskerne kitin (chitosan), som kommer fra et skalldyrs ytre skjelett, og silke, til fargede fibre med porøse mikrostrukturer, som deretter fylles med en faseendringspolymer kalt polyetylenglykol (PEG). Tråden ble belagt med polydimetylsiloksan slik at flytende PEG, som absorberer og frigjør termisk energi, ikke lekker ut.

Forskerne testet stoffet, som viste seg å være fleksibelt, sterkt og vannavstøtende, ved å veve det inn i et stykke stoff som deretter ble integrert i en polyesterhanske. Når den ble båret av en person og plassert i et varmt kammer (122 °F), absorberte den faste PEG varmen og smeltet til en væske, som kjølte huden. Omvendt, når den ble utsatt for kulde (50 °F), stivnet PEG og frigjorde varme, og varmet huden.

Ifølge forskerne kan stoffet skaleres opp for masseproduksjon fordi det er kompatibelt med den eksisterende tekstilindustrien.

Klikk her for å lære om smarte klær for bevegelsesfangst som kan endre sport og fysioterapi.

Selskaper involvert i energihøstende smarte stoffer

La oss nå se på selskaper som innoverer innen feltet smarte stoffer:

#1. Adidas

Selskapet lanserte det første paret av sine smarte sko for et tiår siden. Skoene hadde en sensor, mikroprosessor, elektrisk motor og smart elektronisk tekstilmateriale.

I 2021 avduket Adidas sin nye tekstilinnovasjon, STRUNG, som beskrives som en bransjeførst tekstil- og produksjonsprosess. Denne innovasjonen gjør det mulig for Adidas å bygge og teste ulike strukturer før den valgte designen sendes til STRUNG-roboten. Dette produktkonseptet er helt datadrevet fottøy for en spesifikk løperprofil.

Adidas har en markedsverdi på 43 milliarder dollar, og aksjene handles til 119,58 dollar, opp 16,74 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er -0,37, og P/E (TTM) er -325, mens utbytteavkastningen er 0,32 %, ifølge CNBC. For Q2 2024 rapporterte det tyske sportsklærfirmaet 5,82 milliarder euro i inntekter, 196,0 millioner euro i nettoresultat, og en fortjenestemargin på 3,4 %, opp fra 1,6 % i 2Q23.

#2. DuPont De Nemours

I verden av smarte klær har DuPont lansert strekkbare elektroniske lenker via Intexar™. Denne teknologien for smarte klær gjør vanlige stoffer til aktive og intelligente plagg som gir kritiske biometriske data som hjertefrekvens, pustefrekvens og muskelspenning.

DuPont har en markedsverdi på 33,47 milliarder dollar, og aksjene handles til 80,19 dollar, opp 4,22 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 0,72 og P/E (TTM) er 111,16, mens utbytteavkastningen er 1,90 %, ifølge CNBC. For Q2 2024 rapporterte selskapet en 2 % økning i nettoomsetning til 3,2 milliarder dollar og justert fri kontantstrøm som økte med 53 % til 425 millioner dollar.

Andre fremtredende navn som arbeider med smarte klær inkluderer det britiske selskapet Pireta, som har utviklet en unik additiv prosess som tilfører ledningsevne til stoffer uten å påvirke plaggens ytelse eller drap. Deretter finnes Collebaks Solar Charged-jakke som absorberer lys om dagen og emitterer det om natten. Xenomas e‑skin er derimot en smart skjorte med innebygde sensorer for å overvåke kroppens bevegelser og fysiologiske data. OMSignal har bio‑sensingsklær som bruker energihøstende tekstiler til å drive sensorer integrert i stoffet for å overvåke hjertefrekvens, pust og andre vitale tegn.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex og Sensoria jobber også innen dette feltet.

I Europa har flere selskaper gått sammen for å lansere GRAPHERGIA-prosjektet, med mål om å transformere måten energi høstes i tekstiler og batterisystemer på. Prosjektet startet sent i fjor for å pionere smarte tekstiler som tilpasser seg kroppen og lader seg selv.

Vi forestiller oss en verden hvor klærne dine gjør mer enn bare å se bra ut – de driver enhetene dine, fungerer som en sensor, og kobler deg sømløst til tingenes internett (IoT).

– Prof. Spyros Yannopoulos, prosjektkoordinator for GRAPHERGIA

Konklusjon 

Alle disse spennende innovasjonene vi har snakket om ovenfor gjør at mote nå fungerer som en måte ikke bare å utstråle kraft i utseendet, men også bokstavelig talt generere kraft. Ved å integrere tekstiler med energihøster, kan vi også ha miljøvennlige, allestedsnærværende og bærekraftige bærbare energiløsninger.

Energieffektive stoffer fremstår tydelig som fremtiden for mote, og åpner opp en helt ny verden av bærbar teknologi. Den eneste begrensningen her er vår fantasi.

Klikk her for å lære om de selvladende wearables.