Akıllı Kumaş Isıyı Elektriğe Dönüştürüyor

Vücudunuzun sıcaklığını izleyen, aktivitenizi takip eden veya dış bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan kendiliğinden sizi sıcak tutan kıyafetleri hayal edin.

Pekâlâ, teknoloji ve giyim kesişiminde gerçekleşen tüm araştırma ve geliştirme çalışmaları sayesinde bunların ve daha fazlasının hızla gerçeğe dönüşmekte olduğunu söyleyebiliriz.

Teknolojik ilerlemeler, telefonlarımızı ve ev aletlerimizi daha akıllı hâle getirerek hayatımızı dönüştürüyor. Şimdi ise kıyafetlerimiz bile akıllı hâle geliyor ve heyecan verici, daha sürdürülebilir bir geleceğin yolunu açan olanakları ortaya çıkarıyor.

Küresel akıllı tekstil pazarı hâlihazırda 4,1 milyar dolar değerinde ve 2032 yılına kadar 24,5 milyar dolara yükselmesi öngörülüyor. İlginç bir şekilde, enerji toplama şu anda bu pazarın en büyük payını oluşturuyor, Markets and Markets.

Enerji toplama, çevresel enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek otonom elektronik cihazları beslemeyi sağlar. Bu enerji, mekanik ve termal gibi çeşitli kaynaklardan toplanabilir. Enerji toplama tekstilleri oluşturmak için aktif malzemeler genellikle tekstilin yüzeyine eklenir veya dokuma/işleme yoluyla içine entegre edilir.

Bu tür akıllı kumaşlar, sınırlı enerji depolayan ve şarj ya da periyodik değiştirme gerektiren pillerin yerine kullanılabilir. Giyilebilir tekstil uygulamalarında piller genellikle sert, hantal öğeler olup yıkamadan önce çıkarılmak zorundadır; bu da iyileştirme gerektirir.

Henüz nispeten erken bir aşamada olmasına rağmen, bu sektör teknoloji ilerlemeleri, tasarım, tüketici talebi, miniaturizasyon ve hükümet politikaları gibi faktörlerin birleşimiyle hızla büyüyor.

Şimdi, sektördeki heyecan verici yeniliklere ve giydiğimiz kıyafetlerin gerçek gücüne bir göz atalım!

Vücut Isısını Elektriğe Dönüştüren Akıllı Kumaş

En son ve en heyecan verici gelişmelerden biri, Waterloo Üniversitesi araştırmacıları ile Jiangnan Üniversitesi’nden tekstil bilimi ve mühendisliği alanında önde gelen bir kurumun iş birliğiyle, vücut ve güneş ışığından termal enerjiyi elektrik gücüne dönüştüren bir akıllı kumaş oluşturulmasıdır.

Bu akıllı kumaş, enerji üretme, sağlık ölçümlerini gözlemleme ve fiziksel aktiviteyi izleme yeteneğine sahiptir. Bu sensörler, kumaşın sıcaklık değişikliklerini algılamasını ve basınç, gerilim ve kimyasal bileşimi izlemelerini sağlar.

Bu kumaşın umut vaat eden bir uygulaması, sıcaklık ve solunum hızını izleyebilen, ayrıca kimyasalları tespit ederek akciğer kanseri ve virüs gibi durumları tanımlamaya yardımcı olabilen akıllı yüz maskeleridir.

“Çok işlevli algılama yeteneklerine ve kendi kendine enerji sağlama potansiyeline sahip bir kumaş malzemesi geliştirdik; bu, akıllı kumaşların pratik uygulamalarına daha da yaklaşmamızı sağlıyor.”

Ekip tarafından tasarlanan kumaş esnek, MXene tabanlı, termoelektrik olup, gerilim uyarılarını ve sıcaklığı hassas bir şekilde belirleyebilir. Bunu başarmak için ekip, naylon kumaşın yüzeyine yapışkan bir polidopamin (PDA) tabakası geliştirdi; bu tabaka, MXene’in hidrojen bağlarıyla tutunmasını sağladı.

MXene, katmanlı yapısı, esnekliği, büyük yüzey alanı, elektrik ve metalik iletkenliği, biyouyumlu olması, hidrofobikliği, boyut ayarlanabilirliği ve zengin yüzey kimyası gibi nadir bir özellik kombinasyonu nedeniyle büyük ilgi görüyor. Çalışma şunu belirtiyor:

“Ortaya çıkan MXene tabanlı termoelektrik kumaş, olağanüstü sıcaklık algılama yeteneği ve döngüsel stabilite gösterirken aynı zamanda mükemmel duyarlılık, hızlı yanıt (60 ms) ve gerilim algılamada (3200 döngü) dikkat çekici dayanıklılık sunar.”

Yeni kumaş, piyasadaki diğer kumaşlardan daha maliyet etkin, dayanıklı ve stabil olmasının yanı sıra, sık şarj gerektiren mevcut giyilebilir cihazların aksine, dış bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan çalışabilir. Bu şekilde, araştırma iletken polimerler ve MXene’in modern kumaş teknolojisiyle entegrasyonunun akıllı kumaşların gelişimi için büyük bir potansiyel taşıdığını gösteriyor.

Teknolojideki çeşitli ilerlemeleri, özellikle sağlık izleme ve gıda-farmasötik koruması için gelişmiş sinyal işleme sunan hızla evrimleşen AI’ı da göz önünde bulunduran Li, bu tüm ilerlemelerin ‘kapsamlı veri toplama’ya dayandığını, geleneksel sensörlerin—genellikle hantal, pahalı ve kullanışsız—bunu sağlayamadığını savundu. Bu durum, akıllı kumaşlara entegre edilen basılı sensörleri sürekli veri toplama ve izleme için ideal kılıyor, diye ekledi.

Bu yenilikçi kumaş, bu uygulamaların mümkün hâle gelmesinde önemli bir ilerleme işaret ederken, araştırmacılar şimdi kumaşın yeteneklerini daha da geliştirmeye ve elektronik sistemlerle bütünleştirmeye odaklanacaklar. Bir akıllı telefon uygulaması da, kumaştan gelen verileri sağlık profesyonellerine gerçek zamanlı, invaziv olmayan bir şekilde izlemek ve iletmek için gelecekteki bir geliştirme olabilir.

Geleceğin Öncü Kumaşları

Akıllı giyimdeki ilerlemeler bir süredir hızla devam ediyor. 2016 yılında, Atlanta’daki Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar yarattı bir mikro-kablo güç kumaşı; bu kumaş, güneş ışığından ve hareketten enerji toplayabiliyordu.

Bunun için bilim insanları, ince lif tabanlı güneş hücreleri ve triboelektrik nano jeneratörler içeren iplikleri dokudular. Ortaya çıkan akıllı kumaş, 320 μm kalınlığında tek bir katmana sahipti ve çadırlara, perdeler ve çeşitli kıyafetlere entegre edilebiliyordu. Çalışmaya göre, tekstil doğrudan bir cep telefonunu şarj edebiliyor ve elektronik bir saati sürekli olarak besleyebiliyordu.

NTU Singapur bilim insanları ayrıca vücut hareketini elektriğe dönüştüren bir ‘kumaş’ geliştirdi. Bu esnek ve su geçirmez kumaşı oluşturmak için, bilim insanları mekanik kuvveti (örneğin basma veya sıkma) elektrik enerjisine dönüştüren bir polimer kullandılar. Kumaş, esnek spandeks tabakası ve esnek, dayanıklı ve su geçirmez hâle getiren kauçuk benzeri bir malzeme ile de entegre edilmiştir.

Bir deneyde, ekip bu kumaşın küçük bir parçasına dokunmanın, yüz LED’i etkili bir şekilde aydınlatabilecek elektrik enerjisi ürettiğini gösterdi. Ayrıca, kumaşın yıkanması, buruşması veya katlanması performansı olumsuz etkilemedi ve beş aya kadar istikrarlı bir elektrik çıkışı sağlayabildi.

“Bunu t‑shirt’lere dokunabileceğimizi veya ayakkabı tabanlarına entegre ederek vücudun en küçük hareketlerinden enerji toplayabileceğimizi ve elektriği mobil cihazlara yönlendirebileceğimizi düşünüyoruz.”

– Çalışma lideri Lee Pooi See, Malzeme bilimcisi ve NTU Yardımcı Rektör Profesörü

Akıllı kumaşlar yoğun araştırma ve geliştirme konusuyken, maliyet etkinliği hâlâ büyük bir zorluk. Zaman zaman pratik olmamaları da bir sorun oluşturabiliyor.

Bu sorunları çözmek için araştırmacılar geliştirdi geleneksel giyim makineleriyle aynı cihazları kullanarak uygun maliyetli bir şekilde üretilebilen yeni nesil akıllı tekstiller. Araştırmacılar ilk olarak, gerilmeye dayanabilen malzemelerle lifleri kaplamanın geleneksel dokuma süreçleriyle uyumlu olabileceğini gösterdiler. Şimdi, akıllı tekstiller otomatik süreçlerle de üretilebiliyor ve boyut ya da şekil açısından sınırlama yok.

Bu sadece bir başlangıç; akıllı tekstillere olan bu ilgi, birçok başka ilginç yeniliği de beraberinde getiriyor. Örneğin, bu ilerleme, kumaşa yerleştirilebilen ya da ceket olarak giyilebilen bir giyilebilir cihazın geliştirilmesine yol açtı. Bu cihaz, gece görüş dürbünleri gibi ısı algılayıcı sensörlerden giyeni kamufle edebiliyor, hava koşullarından bağımsız.

Cihazın yüzeyi, ortam sıcaklığına uyum sağlamak için hızla ısınır ya da soğur, böylece giyenin vücut ısısını gizler; ancak iç kısmı insan derisinin aynı sıcaklığında kalır.

Bu arada, Singapur Ulusal Üniversitesi’nde araştırmacılar, kumaş, deniz tuzu, karbon mürekkebi ve özel bir su emici jel kullanarak nemle çalışan bir elektrik üretim (MEG) cihazı geliştirdiler. Kumaşın bir ucunu sürekli ıslak, diğer ucunu kuru tutarak, karbon kaplı kumaş 150 saatten fazla elektrik üretebilen bir akım oluşturdu. Temelde bir pil gibi çalışan bu cihaz, geleneksel AA pilinden daha yüksek elektrik çıkışı sağladı ve günlük elektronik cihazları besleme potansiyelini gösterdi.

MEG cihazının konsepti, farklı malzemelerin havadaki nemle etkileşime girerek elektrik üretme yeteneğine dayanıyor. Bu, giyilebilir elektronik ve bilgi depolama cihazları gibi çeşitli pratik kullanım alanları için uygunluğunu gösteriyor.

Mühendisler ayrıca iplikten transistörler ve elektronik cihazlar üretmiştir. Bu araştırmalardan biri, ince iplikleri kumaşa dokuyarak cilde takılabilecek ya da cerrahi olarak implante edilebilecek elektronik cihazlar oluşturmayı amaçlamıştır.

İlk ip tabanlı transistörler (TBT’ler), tamamen esnek, çoklu işlevli cihazların oluşturulmasını sağlamak için ip tabanlı sensörlerle birleştirildi. Buradaki TBT, keten ipliğini karbon nanotüplerle kaplayarak elektronların geçebileceği bir yarı iletken yüzey oluşturmayı ve ardından iki ince altın tel ile bağlamayı, bunlardan birinin elektrolitli jel ile birleştirilmesini içeriyordu.

Çalışmanın yazarı, Tufts Üniversitesi Mühendislik Okulu Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği profesörü Sameer Sonkusale’ye göre:

“Hastalık tedavisi ve hastaların sağlık durumunun izlenmesi için gerçek zamanlı biyobelirteç ölçümünün önemli olabileceği birçok tıbbi uygulama vardır. Hastanın neredeyse fark etmediği yumuşak ve esnek bir tanı izleme cihazını tamamen entegre etme yeteneği oldukça güçlü olabilir.”

Değişen Sıcaklıklara Uyum Sağlayan Akıllı Kumaşlar 

Araştırılan akıllı tekstillerin bir diğer boyutu, enerji verimliliğini artırmak için ısıtma veya soğutma sistemlerine olan ihtiyacı azaltan sıcaklık uyarlamalı kumaşlardır.

Bu bağlamda, Hong Kong Politeknik Üniversitesi’nden bu hafta yayımlanan yeni araştırma, nefes alabilir ve termal izoleli yumuşak robotik giysileri tanıtıyor; bu giysiler otomatik olarak ortam sıcaklığındaki değişimlere uyum sağlayarak sıcak ortamda çalışan işçilerin güvenliğini sağlamaya yardımcı olur.

Bir kaç yıl önce Amerikan Kimya Derneği’nden gelen ilginç bir araştırma, elektriğe ihtiyaç duymadan giyeni soğutan, ısıyı transfer ederek ve terin buharlaşmasını sağlayarak bir malzeme geliştirmişti.

ABD’de elektrik tüketiminin önemli bir kısmını klima ve diğer soğutma yöntemleri oluşturduğundan, araştırmacılar hedef odaklı bir yaklaşım benimseyerek bir kişinin tüm odasını soğutmak yerine vücudunu soğutmaya odaklandılar.

Kıyafet ve tekstiller zaten bunu yapacak şekilde tasarlanmış olsa da, çoğu yüksek maliyetli, düşük soğutma kapasitesine sahip ve büyük elektrik tüketimine sahiptir. Bu yüzden araştırmacılar, bir polimeri (özellikle su itici bir polimer) ve termal iletken bir dolgu maddesini elektrospraying yöntemiyle nanolifli membranlara dönüştürerek yeni bir malzeme ürettiler.

Bu membranlar, terin ciltten buharlaşmasını ve havanın dolaşmasını sağlayacak kadar büyük gözeneklere sahipti, aynı zamanda dışarıdan suyu itiyordu. Çalışma, kişisel soğutmanın yanı sıra membranın deniz suyu tuzdan arındırma, güneş enerjisi toplama ve elektronik cihazların termal yönetimi gibi alanlarda da kullanılabileceğini belirtti.

Amerikan Kimya Derneği’nden ayrıca, sadece yazın serin tutmakla kalmayıp kışın da sıcak tutan yeni bir tekstil ortaya çıktı; bu, bu açıdan benzersiz bir özelliktir. Akıllı tekstiller, giyeni ısıtma veya soğutma yeteneğine sahip olduğu bilinirken, her iki işlevi de yerine getirebilen kumaşlar pek yaygın değildir. Bu güçlü ama konforlu kumaş ayrıca enerji girişi gerektirmez.

Bu akıllı kumaşı oluşturmak için bilim insanları, kabuklu deniz ürünlerinin dış iskeletinden elde edilen kitin (çitosan) ve ipekten dondurulmuş iplikler ürettiler; bu iplikler gözenekli mikro yapılı renkli lifler haline getirildi ve ardından faz değiştiren bir polimer olan polietilen glikol (PEG) ile dolduruldu. İplik, sıvı PEG’in (termal enerjiyi absorbe edip serbest bırakan) sızmasını önlemek için polidimetilsiloksan (PDMS) ile kaplandı.

Araştırmacılar, kumaşı esnek, dayanıklı ve su itici olduğunu kanıtlamak için bir parça kumaşa dokudular ve ardından polyester bir eldivene entegre ettiler. Bir kişi tarafından giyildiğinde ve 122 °F (50 °C) sıcak bir odada bulunduğunda, katı PEG ısıyı absorbe edip sıvı hâle geçerek cildi soğuttu. Tersine, 50 °F (10 °C) soğukta, PEG katılaşarak ısı yaydı ve cildi ısıttı.

Araştırmacılara göre, mevcut tekstil endüstrisiyle uyumlu olduğu için kumaş toplu üretim için ölçeklendirilebilir.

Hareket yakalama için akıllı kıyafetlerin sporu ve fizyoterapiyi nasıl değiştirdiğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Enerji Toplayan Akıllı Kumaşlarda Yer Alan Şirketler

Şimdi, akıllı kumaş alanında yenilik yapan şirketlere bir göz atalım:

#1. Adidas

Şirket, on yıl önce ilk akıllı ayakkabı çiftini piyasaya sürdü. Ayakkabılar bir sensör, mikroişlemci, elektrik motoru ve akıllı elektronik tekstil malzemesi içeriyordu.

2021 yılında Adidas, yeni tekstil yeniliği STRUNG’u açıklamıştı; bu, sektörün ilk tekstil ve üretim süreci olarak tanımlanıyor. Bu yenilik, Adidas’ın farklı yapıları inşa edip test etmesine ve seçilen tasarımı STRUNG robotuna göndermesine olanak tanıyor. Bu ürün konsepti, belirli bir koşucu profili için tamamen veri odaklı ayakkabılar sunuyor.

Adidas’ın piyasa değeri 43 milyar dolar ve hisse senetleri 119,58 $ seviyesinde, YTD %16,74 artış gösteriyor. EPS (TTM) -0,37, P/E (TTM) -325, temettü getirisi %0,32. 2024 ikinci çeyreğinde Alman spor giyim şirketi 5,82 milyar € gelir, 196,0 milyon € net kar ve %3,4 kar marjı rapor etti; bu, 2Q23’te %1,6’lık marjdan artış.

#2. DuPont De Nemours

Akıllı giyimde DuPont, Intexar™ aracılığıyla esnek elektronik bağlantılar piyasaya sürdü. Bu akıllı giyim teknolojisi, sıradan kumaşları kalp atış hızı, solunum hızı ve kas gerilimi gibi kritik biyometrik verileri sağlayan aktif ve akıllı giysilere dönüştürüyor.

DuPont’un piyasa değeri 33,47 milyar dolar ve hisse senetleri 80,19 $ seviyesinde, YTD %4,22 artış gösteriyor. EPS (TTM) 0,72 ve P/E (TTM) 111,16, temettü getirisi %1,90. 2024 ikinci çeyreğinde şirket, net satışlarda %2 artışla 3,2 milyar $ elde etti ve ayarlanmış serbest nakit akışı %53 artarak 425 milyon $ oldu.

Akıllı giyimde çalışan diğer önde gelen isimler arasında, performansı ya da drapajını etkilemeden kumaşlara iletkenlik ekleyen benzersiz bir katkı süreci geliştiren Birleşik Krallık merkezli Pireta; gün içinde ışık absorbe edip gece yayabilen Solar Charged ceketini sunan Collebak; sensörlerle gömülü akıllı gömlekleriyle vücut hareketlerini ve fizyolojik verileri izleyen Xenoma’nın e-derisi; ve kalp atış hızı, solunum ve diğer hayati belirtileri izlemek için kumaşa gömülü sensörleri enerji toplama tekstilleriyle besleyen OMSignal’in biyosensör giyimi bulunuyor.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex ve Sensoria da bu alanda çalışıyor.

Avrupa’da, birkaç şirket bir araya gelerek GRAPHERGIA projesini başlattı; bu proje, tekstillerde ve batarya sistemlerinde enerjinin yakalanma şeklini dönüştürmeyi hedefliyor. Proje, geçen yılın sonlarında vücuda uyum sağlayan ve kendini şarj eden akıllı tekstilleri öncülük etmek için başlatıldı.

“Kıyafetlerinizin sadece iyi görünmekten öte bir şey yaptığı bir dünya hayal ediyoruz; cihazlarınızı beslesin, bir sensör görevi görsün ve Nesnelerin İnterneti (IoT) ile sorunsuz bir şekilde bağlansın.”

– Prof. Spyros Yannopoulos, GRAPHERGIA projesinin koordinatörü

Sonuç 

Yukarıda bahsettiğimiz tüm bu heyecan verici yenilikler, modanın artık sadece görünüşte güç sergilemekle kalmayıp, aynı zamanda gerçek anlamda enerji üretmesi anlamına geldiğini gösteriyor. Tekstil ve enerji toplama cihazlarını entegre ederek, çevre dostu, yaygın ve sürdürülebilir giyilebilir enerji çözümlerine de sahip olabiliriz.

Enerji verimli kumaşlar, moda geleceğinin açıkça ortaya çıkan bir parçası olarak, giyilebilir teknoloji için yepyeni bir dünya açıyor. Buradaki tek sınırlama hayal gücümüz.

Kendini şarj eden giyilebilir cihazlar hakkında bilgi almak için buraya tıklayın.