Smart tyg omvandlar värme till elektricitet

Föreställ dig kläder som övervakar din temperatur, spårar din aktivitet eller håller dig varm helt på egen hand utan att behöva en extern strömkälla.

Nåväl, allt detta och mer blir snabbt en verklighet tack vare all forskning och utveckling som sker i skärningspunkten mellan teknik och kläder.

Teknologiska framsteg har förändrat våra liv genom att göra våra telefoner och hushållsapparater smartare. Nu blir även våra kläder smarta, vilket öppnar möjligheter som banar väg för en spännande och mer hållbar framtid.

Den globala marknaden för smarta textilier är redan värderad till 4,1 miljarder dollar och förväntas stiga till 24,5 miljarder dollar år 2032. Intressant nog står energihämtning för närvarande för den största andelen av denna marknad, enligt Markets and Markets.

Energihämtning omvandlar omgivande energi till elektrisk energi för att driva autonoma elektroniska enheter. Denna energi kan hämtas från olika källor, inklusive mekanisk och termisk. För att skapa energihämtande textilier läggs vanligtvis aktiva material till på textilens yta eller vävs eller broderas in i den.

Sådana smarta tyger kan potentiellt användas som ett alternativ till batterier, som kräver uppladdning eller periodisk ersättning eftersom de bara innehåller en begränsad mängd energi. I bärbara textiltillämpningar tenderar batterier att vara stela, skrymmande föremål som måste tas bort innan tvätt och därför behöver förbättras.

Även om sektorn fortfarande befinner sig i ett relativt tidigt skede växer den snabbt, drivet av en kombination av faktorer, inklusive tekniska framsteg, design, konsumentefterfrågan, miniaturisering och statliga policyer.

Nu ska vi titta på de spännande innovationerna i sektorn och den bokstavliga kraften i de kläder vi bär!

Smart tyg för att omvandla kroppsvärme till elektricitet

En av de senaste och mest spännande utvecklingarna gjordes av forskare från University of Waterloo i samarbete med en ledande institution inom textilvetenskap och -teknik vid Jiangnan University, som skapade ett smart tyg som omvandlar termisk energi från kroppen och solljus till elektrisk kraft.

Detta smarta tyg har förmågan att generera kraft, observera hälsomått och spåra fysisk aktivitet. Dessa sensorer gör det möjligt för tyget att upptäcka temperaturförändringar samt övervaka tryck, stress och kemisk sammansättning.

En lovande tillämpning av detta tyg är smarta ansiktsmasker som kan spåra temperatur och andningsfrekvens samt upptäcka kemikalier för att hjälpa identifiera tillstånd som lungcancer och virus. Enligt Yuning Li, chef för Printable Electronic Materials Lab vid Waterloo och professor i kemiteknik:

“Vi har utvecklat ett tygmaterial med multifunktionella sensorkapaciteter och självförsörjande potential som för oss närmare praktiska tillämpningar för smarta tyger.”

Tyget som teamet designade är flexibelt, MXene-baserat, termoelektriskt och kan exakt bestämma strainstimuli och temperatur. För att uppnå detta utvecklade teamet ett lager av klibbig polydopamin (PDA) på ytan av nylontyget, vilket underlättade MXene-fästet genom vätebindningar.

MXene har fått mycket uppmärksamhet för sin sällsynta kombination av egenskaper som lagerstruktur, flexibilitet, stor yta, elektrisk och metallisk ledningsförmåga, biokompatibilitet, hydrofilicitet, storleksjusterbarhet och rik ytkemi. Studien noterade:

“Det resulterande MXene-baserade termoelektriska tyget uppvisar enastående temperaturdetekteringsförmåga och cyklisk stabilitet samtidigt som det levererar utmärkt känslighet, snabb respons (60 ms) och anmärkningsvärd hållbarhet vid strainavkänning (3200 cykler).”

Det nya tyget är inte bara mer kostnadseffektivt, hållbart och stabilt än andra tyger på marknaden, utan till skillnad från nuvarande bärbara enheter som kräver frekvent uppladdning kan detta fungera utan att behöva en extern strömkälla. På så sätt visar forskningen den enorma potentialen i att integrera ledande polymerer och MXene med modern tygteknik för utvecklingen av smarta tyger.

Med tanke på den olika framsteg som gjorts inom teknik, inklusive AI, som snabbt utvecklas för att erbjuda avancerad signalbehandling för hälsomonitorering samt bevarande av mat och läkemedel, hävdade Li att alla dessa framsteg bygger på ‘omfattande datainsamling, vilket traditionella sensorer – ofta otympliga, dyra och besvärliga – inte kan uppnå.’ Detta gör tryckta sensorer, inbäddade i smarta tyger, idealiska för kontinuerlig datainsamling och övervakning, tillade Li.

Medan detta innovativa tyg markerar betydande framsteg för att göra dessa tillämpningar möjliga, kommer forskarna nu att fokusera på att ytterligare förbättra tygets kapacitet och integrera det med elektroniska system. En smartphone-app kan också bli en del av denna framtida utveckling för att spåra och överföra data från tyget till vårdpersonal för realtids- och icke-invasiv hälsomonitorering.

Banbrytande tyger för framtiden

Framsteg inom smarta kläder har skett snabbt under en tid nu. År 2016 skapade forskare från Georgia Institute of Technology i Atlanta ett mikrokabelkrafttyg som kunde hämta energi från solljus och rörelse.

För detta vävde forskarna tråd med tunna, fiberbaserade solceller och triboelektrostatiska nanogeneratorer. Det resulterande smarta tyget hade ett 320 μm tjockt enkel lager och kunde integreras i tält, gardiner och olika kläder. Enligt studien kunde textilen direkt ladda en mobiltelefon och kontinuerligt driva en elektronisk klocka.

Forskare vid NTU Singapore utvecklade också framgångsrikt ett ‘tyg’ som omvandlar kroppsrörelse till elektricitet. För att skapa detta stretchiga och vattentäta tyg använde forskarna ett polymer som omvandlade mekanisk kraft, såsom tryck eller klämning, till elektrisk energi. Tyget har ett baslager av stretchig spandex och är också integrerat med ett gummiliknande material som gör det flexibelt, starkt och vattentätt.

I ett experiment visade teamet att knackning på en liten bit av detta tyg producerade elektrisk energi som effektivt kunde lysa upp hundra LED-lampor. Dessutom påverkade tvätt, skrynklning eller vikning av tyget inte prestandan negativt och kunde upprätthålla stabil elektrisk utsläpp i upp till fem månader.

“Vi tror att det kan vävas in i t-shirts eller integreras i skosulor för att samla energi från kroppens minsta rörelser och leda elektricitet till mobila enheter.”

– Studieledare Lee Pooi See, materialvetare och NTU Associate Provost Professor

Medan smarta tyger är föremål för mycket forskning och utveckling, förblir deras kostnadseffektivitet en stor utmaning. Deras brist på praktisk användning kan ibland också vara ett problem.

För att lösa dessa problem har forskare utvecklat nästa generations smarta textilier som kan produceras kostnadseffektivt genom att använda samma maskiner som i konventionella kläder. Forskare demonstrerade först att beläggning av fibrer med material som kan tåla töjning kan vara kompatibelt med konventionella vävprocesser. Nu kan smarta textilier också tillverkas med automatiserade processer, utan begränsningar i storlek eller form.

Detta är bara början, eftersom allt intresse för smarta textilier leder till många andra intressanta innovationer. Till exempel har denna utveckling också lett till utvecklingen av en bärbar enhet som kan inbäddas i tyg eller bäras som en jacka. Den kan kamouflera bäraren från värmedetektorsensorer, såsom nattkikarsikten, oavsett väder.

Medan enhetens yta värms upp eller kyls ner snabbt för att matcha omgivningstemperaturen, vilket döljer bärarens kroppsvärme, förblir insidan på samma temperatur som mänsklig hud.

Samtidigt, vid National University of Singapore, utvecklade forskare en fuktdriven elgenereringsenhet (MEG) med hjälp av tyg, havssalt, kolbläck och en speciell vattenabsorberande gel. Genom att hålla ena änden av tyget alltid våt och den andra torr, genererade det kolbelagda tyget en elektrisk ström med kapacitet att producera elektricitet i över 150 timmar. Den fungerar i princip som ett batteri och levererade högre elektrisk uteffekt än ett konventionellt AA-batteri, vilket visar potentialen att driva vardagselektronik.

MEG-enhetens koncept bygger på förmågan hos olika material att generera elektricitet från interaktionen med fukt i luften. Detta visar dess lämplighet för olika praktiska användningar, såsom bärbar elektronik och informationslagringsenheter.

Ingenjörer har också gjort transistorer och elektroniska enheter av tråd. En sådan forskning involverade att väva tunna trådar i tyg för att skapa elektroniska enheter som kan bäras på huden eller implanteras kirurgiskt för diagnostisk övervakning.

De första trådbaserade transistorerna (TBT) kombinerades med trådbaserade sensorer för att möjliggöra skapandet av helt flexibla, multiplexade enheter. TBT:n här innebar att en linne-tråd belades med kolnanorör för att skapa en halvledande yta för elektroner att färdas på och sedan anslutas till två tunna guldtrådar, varav en var ansluten till en elektrolytinfunderad gel.

Enligt studiens författare Sameer Sonkusale, professor i elektroteknik och datorteknik vid Tufts University School of Engineering:

“Det finns många medicinska tillämpningar där realtidsmätning av biomarkörer kan vara viktig för att behandla sjukdomar och övervaka patienters hälsa. Förmågan att fullt integrera en mjuk och böjlig diagnostisk övervakningsenhet som patienten knappt märker kan vara mycket kraftfull.”

Intelligenta tyger för anpassning till förändrade temperaturer 

En annan dimension av smarta textilier som utforskas är temperaturanpassande tyg, vilket förbättrar energieffektiviteten genom att minska behovet av drivna värme- eller kylsystem.

I detta sammanhang presenterar ny forskning från Hong Kong Polytechnic University, publicerad denna vecka, andningsbart och termiskt isolerat mjukt robotkläde som automatiskt kan anpassa sig till förändrade omgivningstemperaturer, vilket hjälper till att säkerställa arbetstagares säkerhet i varma miljöer.

Intressant forskning från American Chemical Society för några år sedan involverade utvecklingen av ett material som kyler bäraren utan att använda elektricitet genom att överföra värme och låta fukt avdunsta från huden.

Med luftkonditionering och andra kylmetoder som står för en betydande del av elförbrukningen i USA, tog forskarna ett målinriktat tillvägagångssätt och kylde ner en persons kropp istället för ett helt rum.

Medan kläder och textilier redan är designade för att göra just det, har de flesta höga kostnader, dålig kylkapacitet och stor elförbrukning. Så forskarna skapade det nya materialet genom elektrospinning av ett polymer, specifikt ett vattenavstötande polymer, och ett termiskt ledande fyllmedel till nanofibrösa membran.

Dessa membran hade tillräckligt stora porer för att låta svett avdunsta från huden och luft cirkulera samtidigt som de avstötte vatten från utsidan. Studien noterade att förutom personlig kylning kunde membranet också vara användbart för avsaltning av havsvatten, insamling av solenergi och termisk hantering av elektroniska enheter.

Från American Chemical Society kom också ett nytt textil som inte bara håller dig sval på sommaren utan också varm på vintern, vilket gör det unikt i detta avseende. Medan smarta textilier är kända för att värma eller kyla bäraren, är tyg som kan göra båda inte särskilt vanligt. Detta starka men ändå bekväma tyg kräver också ingen energiinmatning.

För att skapa detta smarta tyg frös forskarna spinnade chitosan, som kommer från ett skaldjurs yttre skelett, och silke till färgade fibrer med porösa mikrostrukturer, som sedan fylls med ett fasomvandlande polymer som heter polyetylenglykol (PEG). Tråden belades med polydimetylsiloxan så att flytande PEG, som absorberar och frigör termisk energi, inte läcker ut.

Forskarna testade tyget, som visade sig vara flexibelt, starkt och vattenavstötande, genom att väva det till en tygbit som sedan införlivades i en polyesterhandske. När den bars av en person och placerades i en varm kammare (122°F) absorberade den fasta PEG värmen och smälte till en vätska, vilket kylde huden. Omvänt, när den utsattes för kyla (50°F) solidifierades PEG och frigjorde värme, vilket värmde huden.

Enligt forskarna kan tyget skalas upp för massproduktion eftersom det är kompatibelt med den befintliga textilindustrin.

Klicka här för att lära dig om smarta kläder för rörelsespårning för att förändra sport och fysioterapi.

Företag som är involverade i energihämtande smarta tyger

Nu ska vi titta på företag som är innovativa inom området smarta tyger:

#1. Adidas

Företaget släppte det första paret av sina smarta skor för ett decennium sedan. Skorna hade en sensor, mikroprocessor, elmotor och smart elektroniskt textilmaterial.

År 2021 presenterade Adidas sin nya textilinnovation, STRUNG, som beskrivs som en branschförst textil och skapandeprocess. Denna innovation gör det möjligt för Adidas att bygga och testa olika strukturer innan den valda designen skickas till STRUNG-roboten. Detta produktkoncept är helt datadrivet fotgäng för en specifik löparprofil.

Adidas har ett börsvärde på 43 miljarder dollar, och dess aktier handlas till 119,58 dollar, upp 16,74% år till datum. Dess EPS (TTM) är -0,37 och dess P/E (TTM) är -325, medan den betalda utdelningsavkastningen är 0,32%, enligt CNBC. För Q2 2024 rapporterade det tyska sportklädesföretaget 5,82 miljarder euro i intäkter, 196,0 miljoner euro i nettoresultat och en vinstmarginal på 3,4%, vilket var upp från 1,6% i 2Q23.

#2. DuPont De Nemours

I världen av smarta kläder har DuPont lanserat stretchbara elektroniska länkar via Intexar™. Denna smarta klädes-teknik omvandlar vanliga tyger till aktiva och intelligenta plagg som ger kritiska biometriska data såsom hjärtfrekvens, andningsfrekvens och muskelspänning.

DuPont har ett börsvärde på 33,47 miljarder dollar, och dess aktier handlas till 80,19 dollar, upp 4,22% år till datum. Den har en EPS (TTM) på 0,72 och P/E (TTM) på 111,16, medan den betalda utdelningsavkastningen är 1,90%, enligt CNBC. För Q2 2024 rapporterade företaget en 2% ökning i nettoförsäljning till 3,2 miljarder dollar och justerat fritt kassaflöde som ökade med 53% till 425 miljoner dollar.

Andra framstående namn som arbetar med smarta kläder inkluderar det brittiska Pireta, som har utvecklat en unik tillsatsprocess som ger ledningsförmåga till tyger utan att påverka plaggets prestanda eller drapering. Sedan finns Collebaks Solar Charged-jacka som absorberar ljus under dagen och avger det på natten. Xenomas e-skin är under tiden en smart skjorta med inbäddade sensorer för att övervaka kroppsrörelser och fysiologiska data. OMSignal har bio-sensoriska kläder som använder energihämtande textilier för att driva sensorer inbäddade i tyget för att övervaka hjärtfrekvens, andning och andra vitala tecken.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex och Sensoria arbetar också inom detta område.

I Europa har flera företag gått samman för att lansera GRAPHERGIA-projektet, med målet att förändra hur energi fångas i textilier och batterisystem. Projektet startade sent förra året för att bana väg för smarta textilier som anpassar sig till kroppen och laddar sig själva.

“Vi föreställer oss en värld där dina kläder gör mer än att bara se bra ut – de driver dina enheter, fungerar som en sensor och ansluter dig sömlöst till Internet of Things (IoT).”

– Prof. Spyros Yannopoulos, projektkoordinator för GRAPHERGIA

Slutsats 

Alla dessa spännande innovationer vi diskuterade ovan har gjort mode till ett sätt som inte bara utstrålar makt i utseendet utan också bokstavligen genererar kraft. Genom att integrera textilier med energihämtare kan vi också ha miljövänliga, genomgripande och hållbara bärbara energilösningar.

Energieffektiva tyger blir tydligt framtiden för mode och öppnar upp en helt ny värld av bärbar teknik. Den enda begränsningen här är vår fantasi.

Klicka här för att lära dig om de självuppladdande bärbara enheterna.