Trådlöst laddade smarta kläder nu möjliga med MXene‑ink‑genombrott

Teknologiska framsteg har gjort allt smart idag, från våra telefoner, kylskåp, TV-apparater, klockor, cyklar, bilar och plånböcker till ugnar, glasögon, dörrklockor, termostater och tandborstar.

En annan sak som blir smart och som du kanske inte förväntade dig är dina kläder. Precis! Även plagg och textilier blir smarta. Föreställ dig textilier som kan känna av och reagera på din temperatur, rörelse och tryck.

Textiliernas allestädes närvaro, liksom deras stora yta och närhet till användarna, gör faktiskt integration av funktionalitet i dem till ett lovande företag.

Även om många ledande modevarumärken har lovat smarta kläder med sensorer och nästa generations textilier, har de ännu inte blivit en vanlig del av vår vardag. Detta beror på att textilbaserad elektronik eller e‑textilier kräver strömförsörjning i textilen, vilket kan påverka användarkomforten negativt.

Som ett alternativ har en energihämtning på plagget valts. Fotovoltaiska enheter är exempel på enheter som ger rimlig effekt men med relativt låg spänning. Dessutom har de komplicerade tillverkningsmetoder och kräver ljus för att leverera ström. Piezoelektriska är en annan som genererar en betydande spänning men levererar strömmar i μA‑området.

Här kan trådlös laddning erbjuda betydande fördelar, där forskare vänder sig till MXener och integrerar dem direkt i textilier.

För att hjälpa e‑textilier att bli en del av våra garderober samarbetade forskare från Drexel University med Accenture Labs i Kalifornien för att bygga ett komplett textilt energigrid som kan laddas trådlöst.

Genom att detaljera processen och genomförbarheten att bygga ett grid, den senaste studien, stödd av National Institutes of Health, rapporterade att de använde en bläck sammansatt av MXene för att skriva ut på icke‑vävda bomullstextilier.

Denna utskrift kan enkelt göras med direkta tryckmetoder, och bläcket kan torkas i rumstemperatur och appliceras på textilier.

Det på-plagget energigrid som Drexel University utvecklat kan driva verkliga elektroniksystem, inklusive en sEMG‑sensor, och överföra data i realtid. Teamet skapade också en trådlös joule‑värmare som drevs direkt av deras MXene‑spole.

MXene: Ett 2D‑nanomaterial med oändliga möjligheter

Skapat på Drexel själva, är MXene en typ av nanomaterial som inte bara är mycket ledande utan också tillräckligt hållbart för att klara av tvätt, töjning och vikning som kläder måste tåla.

Förutom sin naturliga ledningsförmåga är MXene ogenomträngligt för elektromagnetisk strålning och kan spridas i vatten som en stabil kolloidal lösning. Detta möjliggör enkel beläggning av textilier med MXene utan behov av kemiska tillsatser. MXene uppvisar också super‑superkapacitans och visar lovande egenskaper i sensorer. Dessa nanoflakar kan placeras var som helst och på nästan vilken yta som helst.

Alla dessa egenskaper ger MXene ett tydligt försprång gentemot andra material och gör det till en idealisk kandidat för integration i textilier för att tillföra funktionalitet samt generera och lagra elektrisk energi. Som Drexel University noterade:

“Möjligheterna för MXenes är oändliga.”

Till exempel har forskare utvecklat en skalbar strategi för att tillverka högpresterande filmer av titankarbid MXene‑flak som har lovande tillämpningar inom rymdteknik, biomedicin och flexibla elektroniska enheter. På annat håll har forskare upptäckt p‑typ egenskaper i ett nytt MXene‑material för att främja dess potential inom nanoteknologiska tillämpningar. Ett annat team låser upp potentialen för MXene i katalys för att underlätta ammoniaks användning som vätebärare för förnybar energilagring.

Det var faktiskt för mer än ett decennium sedan som Drexel-forskare vid College of Engineering, avdelningen för materialvetenskap och -teknik, upptäckte denna familj av 2D‑karbider eller nitrider. Endast några få atomer tjock, visade materialets struktur enorm potential när det gäller dess egenskaper och användning.

Det finns inte bara en MXene; det finns många olika och ännu fler möjliga.

“Himlen är verkligen gränsen.”

– Yury Gogotsi, professor vid Drexels College of Engineering och chef för A.J. Drexel Nanomaterials Institute, för åratal sedan

Därefter började forskarna utforska möjligheten att anpassa MXene som en beläggning som kan ge ett brett spektrum av material dess exceptionella egenskaper.

Nu, med det senaste proof‑of‑concept‑projektet, har universitetet gjort ännu en enorm utveckling, vilket är ett stort steg för bärbar teknik, som för närvarande begränsas av användningen av skrymmande, stela batterier som inte är helt integrerade i kläder.

När man talar om hur skrymmande energiförsörjningar som kräver stela komponenter inte är idealiska, förklarade studiens ledare, Gogotsi, att de helt enkelt är obekväma och påträngande för bäraren.

Medan e‑textilier kan anslutas till vägguttaget, begränsar direkt ström rörelse. Han tillade:

“(De) tenderar också att misslyckas vid gränssnittet mellan den hårda elektroniken och den mjuka textilen över tid.”

Dessa gränssnitt kan minska användarkomforten och är benägna att gå sönder mekaniskt. Dessutom finns problemet med tvättbarhet för e‑textilier, vilket är ganska svårt att hantera.

Så skrev Drexel‑forskarteamet ut textil‑gridet på ett flexibelt, lätt bomullssubstrat, som bara var en liten patch‑storlek.

Det innehåller dessutom en tryckt resonatorkomponent, kallad MX‑coil, som omvandlar elektromagnetiska vågor till energi för att möjliggöra trådlös laddning. Det finns också tre textila superkondensatorer som lagrar energi och används för att driva enheter.

Klicka här för att lära dig om tyget som kan omvandla värme till elektricitet.

Ett superkondensator‑’patch’ för energilagring

Källa: Drexel University

Efter att ha studerat hållbarheten, den elektriska ledningsförmågan och energilagringskapaciteten hos MXene‑funktionaliserade textilier som inte var optimerade för att driva elektronik utöver passiva enheter som LED‑lampor, utvecklade Drexel och Accenture Labs dessa superkondensatorer förra året.

Vid den tidpunkten rapporterade teamet att superkondensatorn kunde laddas på bara några minuter och sedan driva en temperatursensor och radiokommunikation av data i ungefär två timmar.

Gogotsi, som var medförfattare till studien, noterade också då att för att fullt integrera teknik i tyg måste vi också kunna sömlöst integrera dess strömkälla.

“Vår uppfinning visar vägen framåt för textila energilagringsenheter.”

– Gogotsi

Den enkla möjligheten för MXene att fästa på tyget gör att Drexels superkondensator kan uppvisa hög energitäthet och stödja funktionella tillämpningar, vilket krävs för att implementera textilbaserad energilagring i verkliga applikationer.

MXene‑textil‑superkondensator‑patchen designades med målet att maximera energilagringskapaciteten med minimalt material och lite utrymme. På så sätt minskade den de totala produktionskostnaderna och bevarade samtidigt plaggets flexibilitet och bärbarhet.

För att skapa superkondensatorn doppades små bitar av vävd bomullstextil i en MXene‑lösning. Den lagrades sedan på ett litriumklorid‑elektrolytgeler. Varje superkondensatorkälla har två textillager som är belagda med MXene.

För att ha ett patch som kan driva enheter staplades fem celler med en yta på 25 kvadratcentimeter för att skapa ett kraftpaket som kan laddas upp till 6 volt. Cellerna vakuumförseglades också för att förhindra prestandaförsämring.

Superkondensatorn från teamet kunde driva en Arduino Pro Mini 3,3 V mikrokontroller, vilket var en av de högsta totala uteffekterna som någonsin registrerats för en textilenergienhet.

Mikrokontrollern kunde också trådlöst överföra temperatur var 30:e sekund i 96 minuter. Denna prestanda upprätthölls konsekvent i över 20 dagar.

Möjliggör trådlös laddning i textilier

Efter att ha skapat energilagringsenheten, dvs. en superkondensator, som levererar energi snabbare än ett batteri, började teamet arbeta på textil‑gridet, som inkluderade en MX‑coil och tre textila superkondensatorer.

Teamet demonstrerade systemets effektivitet genom att driva olika e‑textil‑tillämpningar. Till exempel kunde det utvecklade gridet laddas trådlöst med 3,6 volt, vilket räcker för att driva bärbara sensorer samt armbandsur och miniräknare. Förutom små enheter hade gridet kapacitet att även driva digitala kretsar i datorer.

Vid testning av gridet med små elektroniska enheter visade det sig att genom att ladda det i bara 15 minuter kunde gridet generera tillräckligt med energi för att driva små enheter i över 90 minuter.

Dessutom, efter att ha genomgått en omfattande tvätt‑ och böjningscykel för att simulera slitage som vanlig klädsel utsätts för, fann forskarna att gridets prestanda knappt försämrades.

Under ledning av Flavia Vitale, PhD, docent i neurologi, testade samarbetspartner från University of Pennsylvania det också för trådlösa MXene‑baserade biosensor‑elektroder kallade MXtrodes som övervakar muskelrörelser.

Förutom på‑plagg‑applikationer som kräver energilagring visade teamet de användningsfall som kanske inte behöver energilagrning, som “situationer med relativt stillasittande användare,” sade Alex Inman, PhD, forskningsassistent hos Gogotsi vid A.J. Drexel Nanomaterials Institute.

I detta avseende använde teamet systemet för att driva en färdig sensoruppsättning för temperatur och luftfuktighet tillsammans med en mikrokontroller för att sända de insamlade data i realtid. En trådlös laddning på bara en halvtimme drev den energikrävande funktionen för realtidsutsändning från sensorerna i 13 minuter.

MX‑coilen användes dessutom för att driva ett tryckt, på‑textil‑värmeelement, en Joule‑värmare. Den genererade en temperaturökning på cirka 4 °C som ett proof‑of‑concept. Enligt Gogotsi:

“Många olika teknologier kan drivas av trådlös laddning. Det viktigaste att tänka på när man väljer en applikation är att den måste vara meningsfull för en bärbar tillämpning.”

Medan biologiska sensorer, som framtiden för hälso- och sjukvård, kan integreras direkt i textilier för att öka datakvaliteten och pålitligheten samt förbättra användarkomforten, uttalade Gogotsi att deras forskning visar att ett textilbaserat kraftgrid kan driva ett obegränsat antal perifera enheter.

Från bärbara haptiska lösningar för AR/VR‑applikationer som underhållning och utbildning till fiberbaserade LED‑lampor för mode eller arbetssäkerhet samt styrning av extern elektronik, har deras textilbaserade kraftgrid demonstrerat olika potentiella användningsfall.

Även om det är en stor prestation krävs fortsatt arbete för att optimera designen för att skapa resonanta beteenden och andra material kan också läggas till för att öka effektiviteten. Framöver kommer Drexel‑forskarna att fokusera på att skala upp systemet utan att begränsa dess möjlighet att integreras i textilier eller negativt påverka dess prestanda.

Sammanfattningsvis kan MXene‑material, enligt Gogotsi och Inman, spela en viktig roll i att omvandla olika teknologier till textilformer.

“Vi producerar tillräckligt med kraft från den trådlösa laddningen för att driva många olika applikationer, så nästa steg handlar om integration. Ett stort sätt som MXene kan hjälpa till med är att det kan användas för många av dessa funktioner – ledande spår, antenner och sensorer.”

– Inman

Företag som är positionerade för att dra nytta av att e‑textilier blir verklighet

Smart kläder är en växande marknad, uppskattad till för närvarande 5,16 miljarder dollar, och det förväntas växa med en CAGR på 26,2 % från 2025 till 2030. Med ett ökande fokus på hälsa och fitness bland användarna har teknikjättar som Google (GOOGL ) och Apple (AAPL ) skapat bärbar teknik och kan potentiellt dra nytta av e‑textilier också.

År 2019 samarbetade Levi (LEVI ) med Google för att lansera sin smarta Trucker‑jacka. Den hade Googles Jacquard‑teknik inbyggd, vilket möjliggör att en specifik del av tyget kan användas för att styra mobiltelefoner.

MXene‑baserade textilier kan också vara värdefulla inom medicin, där företag som Medtronic (MDT) kan använda dem för att erbjuda komfort och säkerhet.

Låt oss nu titta på två företag som verkligen kan dra nytta av de pågående framstegen inom smarta kläder.

1. Vuzix Corporation

Smart kläder har stor potential för användning och tillväxt inom virtuell verklighet (VR) och förstärkt verklighet (AR). De kan hjälpa till att sudda ut gränserna mellan den fysiska och den digitala världen genom sensoriska signaler som haptisk återkoppling, vilket skapar mer uppslukande upplevelser för användaren.

Vuzix är en leverantör av bärbar AR‑ och VR‑displayteknik. Genom att integrera MXene‑baserade e‑textilier i sina wearables kan Vuzix avsevärt förbättra användarupplevelsen genom att eliminera externa batteripaket utan att begränsa användarens rörelse.

Om vi nu tittar på dess marknadsresultat, är aktierna i företaget med ett börsvärde på 76,2 miljoner dollar ned 44,36 % i år och handlas till 1,22 $ vid skrivande stund. Det har ett EPS (TTM) på -1,26 och ett P/E (TTM) på -0,92.

För andra kvartalet 2024 rapporterade företaget en minskning med 77 % i sina totala intäkter till 1,1 miljon dollar jämfört med 4,7 miljon dollar under 2Q23. Denna nedgång berodde på lägre produktsförsäljning, särskilt för M400 smarta glasögon.

Den bruttotabben för perioden var 0,3 miljon dollar, vilket berodde på lägre intäkter som inte kunde täcka företagets fasta tillverkningskostnader. Forskning‑ och utvecklingskostnaderna uppgick samtidigt till 2,4 miljon dollar. Per den 30 juni 2024 hade Vuzix kontanter och likvida medel på 9,9 miljon dollar, medan dess totala rörelsekapital uppgick till 22,1 miljon dollar.

2. Nike

Denna klädesjätte har utforskat smarta kläder under en längre tid, och integration av MXene‑baserade trådlöst laddade plagg kan hjälpa Nike att utveckla avancerade sportkläder som kan spåra biometriska data utan att påverka användarens funktionalitet och komfort.

Nyligen avslöjade den nya andningsbara klädeteknologin Aerogami, som har fuktighetsreaktiva ventiler som öppnas och stängs automatiskt när de känner av svett. Den hjälper löpare att bättre reglera sin kroppstemperatur under träning. Med sin prestandaklädsteknologi strävade Nike efter att “skapa en produkt som interagerar med idrottarnas kroppar i realtid när de värmer upp, svettas och svalnar.”

För att nu titta på dess finansiella sida, är Nike ett företag med ett börsvärde på 6 miljarder dollar vars aktier för närvarande handlas till 77,20 $ och är ned 28,18 % i år. Det har ett EPS (TTM) på 3,49 och ett P/E (TTM) på 22,36 samt betalar en utdelningsavkastning på 1,90 %.

För sina finansiella resultat för räkenskapsåret 2025 för kvartalet som avslutades den 31 augusti 2024 rapporterade en omsättning på 11,6 miljarder dollar, en minskning med 10 % år‑till‑år. Nettoresultatet var också ned 28 % till 1,1 miljarder dollar. Trots att Nike har haft svårigheter de senaste åren med avtagande konsumentefterfrågan, behåller de fortfarande en marknadsandel på 40 % inom sportklädesindustrin.

Samtidigt ligger dess kontanter och likvida medel samt kortfristiga investeringar på 10,3 miljarder dollar, upp cirka 1,5 miljarder dollar från föregående år. Avkastningen till aktieägarna fortsatte att öka, med 558 miljoner dollar utbetalda i utdelningar, medan 1,2 miljarder dollar spenderades på återköp av aktier.

Slutsats

Teknik är den snabbast växande sektorn och påverkar nästan alla områden i våra liv, inklusive vår garderob. Flexibla och stretchbara textila energilagringslösningar förblir dock underutvecklade i de flesta e‑textilsystem på grund av otillräcklig prestanda hos de material och teknologier som för närvarande finns tillgängliga.

Med fortsatt forskning och innovation kan vi äntligen se smarta kläder bli en verklighet. Här erbjuder det fantastiska materialet MXene stor potential med sin mångsidighet, vilket inte bara kan göra e‑textilier möjliga utan också har potential att möta framtida energibehov.

Klicka här för att lära dig hur triboelectric‑sensorer kommer att spela en nyckelroll i nästa generations wearables.