MXene Mürekkebi Atılımı ile Kablosuz Şarjlı Akıllı Giysiler Artık Mümkün

Teknolojik ilerlemeler, bugün telefonlarımızdan, buzdolaplarından, TV’lerden, saatlerden, bisikletlerden, arabalardan ve cüzdanlardan fırınlar, gözlükler, kapı zilleri, termostatlar ve diş fırçalarına kadar her şeyi akıllı hâle getirdi.

Beklemeyebileceğiniz bir başka akıllı şey de kıyafetleriniz. Evet, doğru duydunuz! Giysiler ve tekstiller de akıllı hâle geliyor. Sıcaklığınızı, hareketinizi ve basıncınızı algılayıp yanıt verebilen tekstilleri hayal edin.

Tekstil ürünlerinin yaygınlığı, büyük yüzey alanları ve kullanıcılarına yakın olmaları, işlevselliği onlara entegre etmeyi gerçekten umut verici bir girişim haline getiriyor.

Birçok üst düzey moda markası vaatlerde bulunmuş olsa da, sensörlü akıllı giysiler ve yeni nesil tekstiller henüz günlük hayatımızın düzenli bir parçası haline gelmedi. Bunun nedeni, tekstil tabanlı elektronik ya da e‑tekstillerin tekstil üzerine güç kaynakları gerektirmesi ve bunun da kullanıcı konforunu olumsuz etkilemesidir.

Alternatif olarak, giysi üzerine enerji toplama yöntemi tercih edildi. Fotovoltaik cihazlar, makul bir çıktı sağlayan ancak nispeten düşük voltaj üreten örneklerdir. Ayrıca, karmaşık üretim yöntemlerine sahiptir ve gücü sağlamak için ışığa ihtiyaç duyarlar. Piezoelektrik ise önemli bir voltaj üreten, ancak akımı mikroamper (μA) seviyelerinde sağlayan bir diğer seçenektir.

Burada, kablosuz şarj önemli avantajlar sunabilir; araştırmacılar MXene’lere yönelerek bunları doğrudan tekstillere entegre ediyor.

E‑tekstilleri gardıroplarımızın bir parçası hâline getirmek için Drexel Üniversitesi araştırmacıları, Kaliforniya’daki Accenture Labs ile iş birliği yaparak kablosuz şarj edilebilen tam bir tekstil enerji ızgarası inşa etti.

Bir ızgara inşa etme sürecini ve uygulanabilirliğini ayrıntılandıran, Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklenen en son çalışma, MXene içeren bir mürekkebin dokuma olmayan pamuklu tekstiller üzerine basılmasını rapor etti.

Bu baskı, doğrudan baskı yöntemleri kullanılarak kolayca yapılabilir ve mürekkep oda sıcaklığında kurutularak tekstillere uygulanabilir.

Drexel Üniversitesi’nden gelen giysi üzerindeki enerji ızgarası, sEMG sensörü dahil gerçek dünya elektroniklerini çalıştırabilir ve verileri gerçek zamanlı olarak iletebilir. Ekip ayrıca, doğrudan MXene bobiniyle çalışan kablosuz bir joule ısıtıcı da yarattı.

MXene: Sonsuz Olanaklara Sahip 2B Nanomalzeme

Drexen’de geliştirilen MXene, yalnızca yüksek iletkenliğe sahip olmakla kalmayıp aynı zamanda giysilerin dayanması gereken yıkama, gerilme ve katlanma gibi zorlamalara karşı dayanıklı bir nanomalzemedir.

Doğal iletkenliğinin yanı sıra, MXene elektromanyetik radyasyona geçirimsizdir ve su içinde stabil bir kolloidal çözelti olarak dağılabilir. Bu, kimyasal katkı maddelerine ihtiyaç duymadan tekstillerin MXene ile kolayca kaplanmasını sağlar. MXene ayrıca süper süperkapasitans gösterir ve sensörlerde büyük vaat taşır. Bu nanoflaytlar nereye ve neredeyse her yüzeye yerleştirilebilir.

Tüm bu özellikler, MXene’ye diğer malzemeler üzerinde belirgin bir avantaj sağlar ve işlevsellik eklemek, elektrik enerjisi üretmek ve depolamak için tekstillere entegre edilmesini ideal bir aday yapar. Drexel Üniversitesi’nin belirttiği gibi:

“MXene’ler için olanaklar sonsuzdur.”

Örneğin, araştırmacılar geliştirdiler titanyum karbür MXene flaklarından yüksek performanslı filmler üretmek için ölçeklenebilir bir stratejiyi; bu filmler havacılık, biyomedikal ve esnek elektronik cihazlarda umut vaat ediyor. Başka bir yerde, bilim insanları keşfettiler yeni bir MXene malzemesinde p‑tip özelliklerini, nanoteknoloji uygulamaları için potansiyelini artırmak amacıyla. Başka bir ekip ise kullanıyor MXene’i katalizde potansiyelini açığa çıkararak amonyakın yenilenebilir enerji depolama için bir hidrojen taşıyıcısı olarak kullanılmasını kolaylaştırıyor.

Aslında, Drexel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’ndeki araştırmacıların bu 2B karbür veya nitrid ailesini keşfetmesi on yıldan fazladır. Sadece birkaç atom kalınlığındaki bu malzemenin yapısı, özellikleri ve kullanım potansiyeli açısından büyük bir gelecek vaat ediyordu.

Tek bir MXene yok; birçok farklı MXene vardır ve daha da fazla olasılık mevcuttur.

“Gökyüzü gerçekten sınırdır.”

– Yury Gogotsi, Drexel Mühendislik Fakültesi’nde profesör ve A.J. Drexel Nanomalzemeler Enstitüsü direktörü, yıllar önce

Daha sonra araştırmacılar, MXene’i çeşitli malzemelere olağanüstü özelliklerini kazandırabilecek bir kaplama olarak uyarlama olasılığını araştırmaya başladılar.

Şimdi, en son kavram kanıtı ile Üniversite bir başka büyük gelişme kaydetti; bu, giyilebilir teknoloji için büyük bir adım, çünkü şu anda kalın, sert pillerin kullanımıyla sınırlı ve bu piller giysilere tamamen entegre değil.

Kalın enerji kaynaklarının katı bileşenler gerektirmesinin ideal olmadığını konuşurken, çalışmanın lideri Gogotsi, bunların giyen kişi için sadece rahatsız ve müdahaleci olduğunu açıkladı.

E‑tekstiller duvara takılabilirken, doğrudan güç hareketi kısıtlar. Gogotsi ekledi:

“(Ayrıca) zamanla sert elektronik ile yumuşak tekstil arasındaki arayüzde arızalanma eğilimindedir.”

Bu arayüzler kullanıcı konforunu azaltabilir ve mekanik arızalara yatkındır. Ayrıca e‑tekstillerin yıkanabilirliği de oldukça zor bir sorundur.

Dolayısıyla, Drexel araştırma ekibi tekstil ızgarasını sadece küçük bir yama boyutunda, esnek ve hafif bir pamuk alt tabakası üzerine bastı.

Ayrıca, elektromanyetik dalgaları enerjiye dönüştüren ve kablosuz şarjı mümkün kılan MX‑bobin adı verilen bir yazılı rezonatör bobini içerir. Enerjiyi depolayan ve cihazları çalıştırmak için kullanılan üç tekstil süperkapasitörü de mevcuttur.

Isıyı elektriğe dönüştürebilen kumaş hakkında bilgi almak için buraya tıklayın.

A Supercapacitor ‘Patch’ for Energy Storage

Kaynak: Drexel University

LED ışıkları gibi pasif cihazların ötesinde elektronikleri çalıştırmak için optimize edilmemiş MXene işlevlendirilmiş tekstillerin dayanıklılık, elektrik iletkenliği ve enerji depolama kapasitesi incelendikten sonra, Drexel ve Accenture Labs geçen yıl bu süperkapasitörleri geliştirdi.

O dönemde ekip, süperkapasitörün sadece birkaç dakikada şarj olabildiğini ve ardından bir sıcaklık sensörünü ve veri radyo iletişimini yaklaşık iki saat boyunca çalıştırabildiğini rapor etti.

Çalışmanın ortak yazarı Gogotsi, o zamanlar teknolojiyi kumaşa tam olarak entegre edebilmek için güç kaynağının da sorunsuz bir şekilde entegre edilebilmesi gerektiğini belirtti.

“İcatımız, tekstil enerji depolama cihazları için ileriye dönük yolu gösteriyor.”

– Gogotsi

MXene’in kumaşa tutunmasının kolay olması, Drexel’in süperkapasitörünün yüksek enerji yoğunluğu göstermesini ve fonksiyonel uygulamaları desteklemesini sağlar; bu, tekstil tabanlı enerji depolamanın gerçek hayatta uygulanması için gereklidir.

MXene tekstil süperkapasitör yaması, minimum malzeme ve az alan kullanarak enerji depolama kapasitesini maksimize etmeyi hedefleyecek şekilde tasarlandı. Böylece üretim maliyeti düşürülürken aynı zamanda giysinin esnekliği ve giyilebilirliği korunmuş oldu.

Şimdi, süperkapasitörü oluşturmak için, dokuma pamuklu tekstil parçaları MXene çözeltisine daldırıldı. Daha sonra lityum klorür elektrolit jelinin üzerine katmanlandı. Her süperkapasitör hücresi iki tekstil katmanına sahiptir ve bu katmanlar MXene ile kaplanmıştır.

Cihazları çalıştırabilecek bir yama elde etmek için, 25 cm² alana sahip beş hücre üst üste istiflendi ve 6 volt şarj olabilen bir güç paketi oluşturuldu. Hücreler ayrıca performans düşüşünü önlemek için vakumla paketlendi.

Ekip tarafından geliştirilen süperkapasitör, bir Arduino Pro Mini 3.3V mikrodenetleyiciyi çalıştırabildi; bu, tekstil enerji cihazları için kayıtlarda yer alan en yüksek toplam güç çıkışlarından biriydi.

Mikrodenetleyici ayrıca 96 dakika boyunca her 30 saniyede bir sıcaklığı kablosuz olarak iletebildi. Bu performans 20 günden fazla süre boyunca tutarlı bir şekilde sürdürüldü.

Tekstillerde Kablosuz Şarjı Sağlamak

Enerji depolama cihazı, yani bir süperkapasitör, bataryadan daha hızlı enerji sağladıktan sonra, ekip MX‑bobin ve üç tekstil süperkapasitör içeren tekstil ızgarası üzerinde çalışmaya başladı.

Ekip, sisteminin çeşitli e‑tekstil uygulamalarını güçlendirmedeki etkinliğini gösterdi. Örneğin, geliştirilen ızgara 3.6 voltta kablosuz şarj olabildi ve bu, giyilebilir sensörleri, saatleri ve hesap makinelerini çalıştırmak için yeterliydi. Küçük cihazların yanı sıra, ızgara bilgisayarlardaki dijital devreleri bile güçlendirme kapasitesine sahipti.

Izgarayı küçük elektronik cihazlarla test ederken, sadece 15 dakikalık bir şarjla, ızgaranın küçük cihazları 90 dakikadan fazla süreyle çalıştıracak kadar enerji üretebildiği bulundu.

Ayrıca, düzenli kıyafetlerin maruz kaldığı aşınma ve yıpranmayı taklit etmek için kapsamlı bir yıkama ve bükülme döngüsünden geçirildikten sonra, araştırmacılar ızgaranın performansının neredeyse hiç azalmadığını buldu.

Nöroloji doçenti Flavia Vitale, PhD liderliğinde, Pennsylvania Üniversitesi iş birliği ortakları, kas hareketlerini izleyen MXene tabanlı kablosuz biyosensör elektrotları (MXtrodes) için de test etti.

Enerji depolama gerektiren giysi üzerindeki uygulamaların yanı sıra, ekip enerji depolamaya ihtiyaç duymayan kullanım senaryolarını da gösterdi; örneğin “nispeten hareketsiz kullanıcıların bulunduğu durumlar” dedi A.J. Drexel Nanomalzemeler Enstitüsü’nde Gogotsi ile çalışan araştırma görevlisi Alex Inman, PhD.

Bu bağlamda ekip, sistemini hazır bir sıcaklık ve nem sensör dizisi ile bir mikrodenetleyiciyi çalıştırmak ve topladıkları verileri gerçek zamanlı olarak yayınlamak için kullandı. Yarım saatlik bir kablosuz şarj, sensörlerin gerçek zamanlı yayın fonksiyonunu 13 dakika boyunca enerji sağladı.

MX‑bobin ayrıca, tekstil üzerine basılmış bir ısıtma elemanı (Joule ısıtıcı) güçlendirmek için kullanıldı. Kavram kanıtı olarak yaklaşık 4 derece Celsius sıcaklık artışı sağladı. Gogotsi’ye göre:

“Kablosuz şarj ile birçok farklı teknoloji güçlendirilebilir. Bir uygulama seçerken göz önünde bulundurulması gereken ana şey, bunun giyilebilir bir uygulama için mantıklı olmasıdır.”

Geleceğin sağlık hizmetleri olarak biyolojik sensörler, doğrudan tekstillere entegre edilerek veri kalitesini ve güvenilirliğini artırabilir ve kullanıcı konforunu yükseltebilir; Gogotsi, tekstil tabanlı bir güç ızgarasının herhangi bir sayıda çevre birimini güçlendirebileceğini belirtti.

Eğlence ve eğitim gibi AR/VR uygulamaları için giyilebilir haptiğe, moda veya iş güvenliği için fiber tabanlı LED’lere ve harici elektroniklerin kontrolüne kadar, tekstil tabanlı güç ızgaraları çeşitli potansiyel kullanım senaryolarını gösterdi.

Bu büyük bir başarı olmakla birlikte, tasarımı rezonans davranışları oluşturacak şekilde optimize etmek ve verimliliği artırmak için başka malzemeler eklemek hâlâ gerekli. İleride Drexel araştırmacıları, sistemini ölçeklendirmeye odaklanacak; bu, tekstillere entegrasyon yeteneğini sınırlamadan veya performansını olumsuz etkilemeden yapılacak.

Genel olarak, Gogotsi ve Inman’a göre MXene malzemeleri, çeşitli teknolojileri tekstil formlarına dönüştürmede büyük bir rol oynayabilir.

“Kablosuz şarjdan yeterli güç üretiyoruz ve bu sayede birçok farklı uygulamayı çalıştırabiliyoruz; bir sonraki adım entegrasyon. MXene’in bu konuda yardımcı olabileceği büyük bir yol, birçok işlevsellik için kullanılabilmesi – iletken izler, antenler ve sensörler.”

– Inman

E‑Tekstil Gerçekleştiğinde Yararlanacak Şirketler

Akıllı giyim, şu anda 5,16 milyar dolar değerinde olduğu tahmin edilen ve 2025‑2030 arasında %26,2 yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) ile büyümesi beklenen bir pazar. Kullanıcıların sağlık ve fitness odaklı artmasıyla, Google (GOOGL ) ve Apple (AAPL ) gibi teknoloji devleri giyilebilir teknoloji geliştirdi ve e‑tekstilden de faydalanabilir.

2019 yılında, Levi (LEVI ) Google ile iş birliği yaparak akıllı Trucker Ceketini piyasaya sürdü. Bu ceket, Google’ın Jacquard teknolojisini içeriyordu ve kumaşın belirli bir bölümü mobil telefonları kontrol etmek için kullanılabiliyordu.

MXene tabanlı tekstiller, Medtronic (MDT) gibi şirketlerin konfor ve güvenlik sağlamak için kullanabileceği tıp dünyasında da değerli olabilir.

Şimdi, akıllı giyimdeki devam eden gelişmelerden gerçekten faydalanabilecek iki şirkete bakalım.

1. Vuzix Corporation

Akıllı giyim, sanal gerçeklik (VR) ve artırılmış gerçeklik (AR) endüstrilerinde kullanım ve büyüme potansiyeline sahiptir. Fiziksel ve çevrimiçi dünyalar arasındaki sınırları, dokunsal geri bildirim gibi duyusal ipuçlarıyla bulanıklaştırarak kullanıcıya daha sürükleyici deneyimler sunabilir.

Vuzix, giyilebilir AR ve VR görüntüleme teknolojisi sağlayıcısıdır. MXene tabanlı e‑tekstilleri ürünlerine entegre ederek, Vuzix dış batarya paketlerini ortadan kaldırıp kullanıcı hareketini kısıtlamadan deneyimi önemli ölçüde artırabilir.

Şimdi, piyasa performansına bakarsak, 76,2 milyon dolar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri bu yıl %44,36 düşmüş ve yazı itibarıyla hisse başına 1,22 dolar işlem görüyor. EPS (TTM) -1,26 ve P/E (TTM) -0,92.

2024’ün ikinci çeyreği için şirket raporladı toplam gelirlerinde %77 azalarak 1,1 milyon dolara düştüğünü; 2Q23’te 4,7 milyon dolar iken. Bu düşüş, özellikle M400 akıllı gözlüklerdeki ürün satışlarının azalmasından kaynaklandı.

Bu dönemde brüt zarar 0,3 milyon dolar oldu; bu, gelirin şirketin sabit üretim genel giderlerini karşılayamamasından kaynaklandı. Araştırma ve Geliştirme harcamaları ise 2,4 milyon dolar. 30 Haziran 2024 itibarıyla Vuzix’in nakit ve nakit benzerleri 9,9 milyon dolar, toplam çalışma sermayesi ise 22,1 milyon dolar.

2. Nike

Bu giyim devi, bir süredir akıllı giysileri araştırıyor ve MXene tabanlı kablosuz şarjlı giysileri entegre etmek, Nike’ın kullanıcı işlevselliği ve konforunu etkilemeden biyometrik verileri izleyebilen gelişmiş spor kıyafetleri geliştirmesine yardımcı olabilir.

Yakın zamanda, Aerogami adlı yeni nefes alabilir giyim teknolojisini tanıttı; bu teknoloji, teri algılayarak kendi kendine açılıp kapanan nem-reaktif havalandırma deliklerine sahip. Bu, koşucuların egzersiz sırasında vücut sıcaklıklarını daha iyi düzenlemelerine yardımcı olur. Performans giyim teknolojisiyle Nike, “sporcuların ısındıkça, terledikçe ve soğudukça bedenleriyle gerçek zamanlı etkileşen bir ürün yaratmayı” hedefliyor.

Şimdi finansal tarafına bakacak olursak, Nike 6 milyar dolar piyasa değerine sahip bir şirket ve hisseleri şu anda 77,20 dolar seviyesinde, bu yıl %28,18 düşüş gösterdi. EPS (TTM) 3,49 ve P/E (TTM) 22,36; temettü getirisi %1,90.

2024 Ağustos 31’de sona eren çeyrek için şirket, raporladı 11,6 milyar dolar gelir, yıllık %10 düşüş. Net kar da %28 düşüşle 1,1 milyar dolar. Nike son yıllarda tüketici talebindeki yavaşlamayla mücadele etse de, spor giyim pazarında %40 pazar payına sahip.

Bu arada, nakit ve nakit benzerleri ile kısa vadeli yatırımları 10,3 milyar dolar seviyesinde, geçen yıla göre yaklaşık 1,5 milyar dolar artış gösterdi. Hissedarlarına dağıtılan temettüler 558 milyon dolar iken, hisse geri alımları için 1,2 milyar dolar harcandı.

Sonuç

Teknoloji, hayatımızın hemen hemen her alanını, gardırobumuz dahil, etkileyen en hızlı büyüyen sektördür. Ancak, esnek ve uzatılabilir tekstil enerji depolama çözümleri, mevcut malzeme ve teknolojilerin yetersiz performansı nedeniyle çoğu e‑tekstil sisteminde hâlâ gelişmemiş durumda.

Ar-Ge ve yenilikler devam ettikçe, akıllı giysilerin gerçek bir gerçeklik haline gelmesini nihayet görebiliriz. Burada, MXene adlı harika malzeme çok yönlülüğüyle büyük bir vaat sunuyor; bu sadece e‑tekstilleri mümkün kılmakla kalmayıp aynı zamanda gelecekteki enerji taleplerini karşılayabilecek potansiyele de sahiptir.

Triboelectric sensörlerin bir sonraki nesil giyilebilir cihazlarda nasıl kritik bir rol oynayacağını öğrenmek için buraya tıklayın.