Wearables revolutionieren: Der aufkommende Power Suit für Gesundheitsmonitoring & Energieerzeugung

Wussten Sie, dass die Integration von Nanomaterialien, Fertigung und Textilgeweben kurz davor steht, einen völlig neuen tragbaren „Power Suit“ zu schaffen, der Patienten überwachen oder Energie erzeugen kann – unter unzähligen anderen Möglichkeiten?

Vier Manufacturing USA Institutes in Zusammenarbeit mit NIST MEP Centers spielen eine entscheidende Rolle in dieser Branche und ihrer Zulieferkette, indem sie auf kommerzielle und technische Entwicklungen zurückgreifen, die in diesem neuen Feld rasch anwendbar sind.

Mit der beschleunigten Entwicklung von Nanomaterialien werden mehr Anwendungen identifiziert, die die Integration von Hightech-Geräten mit jahrhundertealten Produkten beinhalten. Eine dieser Anwendungen in der Textilindustrie ist ein neuer Trend, bekannt als Power Suits.

Energy Harvesting

Energy Harvesting ist der Prozess, bei dem Energie aus externen Quellen (z. B. Solarenergie, thermische Energie, Windenergie, Salzgradienten und kinetische Energie, auch Umgebungsenergie genannt) gewonnen, eingefangen und für kleine, drahtlose autonome Geräte gespeichert wird – wie sie in tragbarer Elektronik und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden. Auf Mikro- und Milliampere-Ebene gewinnt diese Praxis an Bedeutung, da Geräte mit sehr geringem Energiebedarf entwickelt werden. Es ist ein besonderes Interessengebiet für den Textilsektor, speziell im Hinblick auf die Umwandlung von „Bewegung“ in Energie.

Die potenziellen Anwendungen in dieser Branche können lebensverändernd sein.

Sturzerkennung bei älteren Menschen, Energieversorgung für Herzschrittmacher oder andere Implantate, Einbetten von GPS-Geräten in Kleidung für Wanderer oder zur Ortung desorientierter Alzheimer-Patienten sind nur einige der Möglichkeiten.¹ Die Übertragung basiert auf zwei bekannten Phänomenen: piezoelektrischen und triboelektrischen Effekten. Piezoelektrische Effekte verknüpfen elektrische Signale und mechanische Kraft, während triboelektrische Effekte das Sammeln entgegengesetzter Ladungen an zwei ungleichen Materialien bei Kontakt beinhalten.

Die Rolle der Manufacturing USA Institutes und MEP Centers

Power Suits und andere technisch fortschrittliche Textilien erfordern kommerzielle und technologische Entwicklungen in vier hochintegrierten Bereichen: flexible Sensoren, „intelligente“ Datennutzung, Leistungselektronik und Stoffe. Dies sind unter den Technologiefokusbereichen der folgenden kürzlich gegründeten Manufacturing USA Institutes:

Die Mission von PowerAmerica ist die Entwicklung fortschrittlicher Fertigungsprozesse, die die Großserienproduktion von Wide-Bandgap (WBG)-Halbleitern ermöglichen, die elektronische Bauteile kleiner, schneller und effizienter machen als siliziumbasierte Halbleiter.

NEXTFLEX konzentriert sich auf die Entwicklung einer neuen Ära in der Fertigung flexibler hybrider Elektronik (FHE), indem es das US-FHE-Ökosystem katalysiert, um Technologie durch Investitionen in FHE-Material-Skalierung, Dünnschicht-Verarbeitung, Sensor-integriertes Drucken und Verpacken, Systementwurfstools, Zuverlässigkeitstests und -modellierung zu kommerzialisieren.

Das Clean Energy Smart Manufacturing Innovation Institute vereint ein Konsortium von fast 200 Partnern aus Wissenschaft, Industrie und Non-Profits aus über 30 Bundesstaaten, um Fortschritte bei intelligenten Sensoren und digitalen Prozesskontrollen voranzutreiben, die die Effizienz der US-Hochleistungsfertigung radikal verbessern können.

Ein nationaler Non-Profit, unterstützt von Industrie, Wissenschaft, Regierung und Venture Capital, wird das Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) Institute die breite Kommerzialisierung hochfunktionaler Stoffe beschleunigen. Dazu gehören jüngste Durchbrüche in Faserwerkstoffen und Fertigungsprozessen, die es bald ermöglichen werden, Stoffe zu entwerfen und herzustellen, die sehen, hören, fühlen, kommunizieren, Energie speichern und umwandeln, Temperatur regulieren, Gesundheit überwachen und Farbe ändern können – der Beginn einer „Stoff-Revolution“.

Ein Schlüsselelement für Implementierung und Adoption dieser neuen Technologien bei Herstellern in den USA sind die Embedding MEP in Manufacturing USA Institutes Pilot Projects, die 2016 begannen. Zu den Hauptzielen des Piloten gehören:

• Steigerung des Bewusstseins kleiner US-Hersteller für Manufacturing USA Institute-Fokusbereiche und -Ressourcen;
• Sicherstellung der Beteiligung kleiner US-Hersteller an Prozessen und Aktivitäten, die Forschungsagenden der Institute informieren und entwickeln;
• Erhöhung der Teilnahme kleiner US-Hersteller an Manufacturing USA Institute-Forschung; und
• Sicherstellung des Übergangs von Instituts-Forschungsergebnissen zu kleinen US-Herstellern für die Implementierung.

Erst der Anfang

Die Entwicklung von Power Suits kratzt kaum an der Oberfläche der Fortschritte, die durch Integration physikalischer Phänomene, Nanomaterialien und neuer Technologieadoption möglich sind. Kommerzielle Produktion für State-of-the-Art-Produkte wie diese erfordert Lieferketten, die neue Technologieentwicklungen und -prozesse integrieren. Durch die Zusammenarbeit von Manufacturing USA Institutes und MEP Centers werden Hersteller in Märkte vordringen können, die sonst unzugänglich blieben, während sie innovative neue Produkte für Verbraucher bereitstellen.

Wenn Sie mehr über diese Entwicklungen erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an Ihr lokales MEP Center oder die NIST MEP-Zentrale unter 301-975-0413.

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^1. „Nanotechnology could bring us a whole new 'power suit'“, CEN.ACS.ORG, 16. Januar 2017, S. 15-17.