Des textiles collecteurs d'énergie pour des vêtements connectés

«Habit de soie n’a pas de puce». A l’heure de l’«Internet des objets» et du tout connecté, ce proverbe estonien n’est plus vrai – si, bien sûr, l’on comprend par «puces» des circuits électroniques, capteurs ou senseurs en tous genres. Depuis peu, le monde du textile s’empare des technologies numériques et les incorpore aux matériaux bruts. Mieux, ces composants électroniques nécessitant souvent des accus pour fonctionner, les tissus-mêmes deviennent des interfaces pour capter l’énergie, voire la stocker. Pagnes solaires, pulls thermosensibles? Vestes-batteries? Voilà les technologies sur lesquelles travaillent des dizaines de groupes dans le monde, dans un domaine en plein boom.

Les chiffres sont vertigineux. «D’ici à 2025, il y aura 50 milliards d’objets connectés dans le monde, estime Adrian Ionescu, professeur de nanoélectronique à l’EPFL. Cela représente une consommation d’énergie énorme!» Concernant les seuls textiles électroniques (e-textile), le marché devrait croître de 36% au moins d’ici à 2022, selon la société Occams Business Research&Consulting, dans une analyse de novembre 2016.

Sport et santé dominent le marché

Deux secteurs d’applications dominent. Le sport, d’abord: capteurs et senseurs sont encapsulés dans les habits pour mesurer la performance, tel le maillot Hexoskin de la société montréalaise éponyme. La PoloTech Shirt de Ralph Lauren incorpore même un accéléromètre et un gyroscope, qui sert à repérer précisément l’orientation d’un objet dans l’espace; les smartphones en sont équipés. L’autre domaine déterminant est celui de la santé: des systèmes de détection «fondus» dans les vêtements permettent de surveiller avec un moniteur les paramètres vitaux (pouls, respirations, etc.). Et même l’industrie du loisir s’intéresse à ce champ émergeant: en 2015, Google et les jeans Levi’s ont lancé le Project Jacquard, visant à développer des tissus tactiles interactifs.

«Vu les besoins en électricité pour alimenter tous ces objets, les rendre aussi autonomes que possible en faisant qu’ils puissent récupérer l’énergie environnante serait un immense atout», reprend Adrian Ionescu. Comment? En tirant surtout profit de trois formes d’énergie à disposition dans leur environnement: les mouvements, la chaleur (du corps) et l’exposition au Soleil.

Voilà plus de dix ans que Zhong Lin Wang, à l’Université américaine Georgia Tech, cherche à exploiter la première de ces trois sources. Il a mis au point des «nanogénérateurs triboélectriques» (TENG, selon l’acronyme anglais): lorsque deux surfaces couvertes par des couches spécifiques sont frottées l’une contre l’autre, cela déplace les charges électriques qu’elles contiennent, créant de l’électricité statique; comme lorsque l’on se frotte les cheveux avec un ballon. Ne reste alors qu’à canaliser cette électricité pour l’exploiter. Dans ses travaux, l’équipe américaine a enroulé ces surfaces les unes dans les autres, créant au final une fibre.

Lorsque cette fibre est courbée, par exemple au sein d’un tissu plié, les couches qui la composent se frictionnent, produisant de l’électricité, en infime mais suffisante quantité. Un groupe coréen creuse la même veine.

Celui de Zhong Lin Wang et d’autres groupes misent aussi sur l’effet piézoélectrique. Celui-ci caractérise des matériaux qui sont susceptibles de se polariser électriquement lorsqu’ils sont pliés, compressés ou déformés, comme une classe particulière d’entre eux, les polymères, dont il est possible de tisser des fibres. En 2014, des chercheurs de l’Université suédoise Chalmers ont réussi à montrer que de telles fibres pouvaient produire jusqu’à 1 milliWatt (mW) de puissance; par comparaison, il faut 5 mW pour faire fonctionner le rayon laser d’un lecteur CD.

Ailleurs enfin, on tente de tirer profit de la chaleur émise par le corps pour, avec des capteurs thermoélectriques, produire du courant.

Brevet déposé

A l’automne 2016, Zhong Lin Wang a même fait d’une étoffe deux coups: il y a incorporé à la fois ces fibres TENG et de fines lamelles de cellules photovoltaïques pliables, dites «cellules solaires à colorant». De quoi récupérer de l’énergie des mouvements d’une part, et de la lumière incidente de l’autre.

D’autres équipes suivent aussi cette piste solaire, telle la société japonaise Sphelar Power, qui a créé des cellules solaires pas plus grosses que des têtes d’épingle. Celles-ci peuvent ainsi joliment décorer un vêtement. Ou encore ce groupe de l’University of Central Florida (UCF), dont l’idée est de glisser dans le tissu des fibres optiques guidant la lumière solaire vers un photorécepteur portable, apte à la transformer en électricité. Un brevet a été déposé.

«Récupérer l’énergie environnante est opportuniste, poursuit Adrian Ionescu. Mais l’objectif ultime est aussi de pouvoir la stocker.» Or là aussi, la recherche avance. Une autre équipe de l’UCF a intégré dans un tissu des «rubans» de cuivre formant ce que les spécialistes appellent des «supercondensateurs», sorte de batteries surpuissantes constituées de couches. Les scientifiques décrivent, dans la revue Nature en novembre 2016, être parvenus à les rendre si minces qu’ils sont flexibles.

Fin 2016, l’équipe de Zhong Lin Wang a présenté ce qui constitue peut-être l’e-textile le plus avancé, car hybride: ayant pour base un tissu traditionnel, celui-ci permet de récupérer les énergies mécaniques (avec ses fibres TENG) et solaire (avec ces franges de cellules solaires) ainsi que de stocker ces dernières dans des supercondensateurs intégrés.

Pour Juan Hinestroza, professeur en sciences des fibres à l’Université Cornell de New York, «c’est là la preuve fantastique d’un concept qui pourra être transféré à productions de masse pour les surfaces textiles», a-t-il confié au site LiveScience.com. «L’un des points fort est que ce tissu a fonctionné décemment dans des conditions difficiles», commente aussi Muchaneta Kapfunde, fondatrice du site FashNerd.com, spécialisé dans l’incursion des technologies dans la mode. Les scientifiques de Georgia Tech lui ont en effet fait subir une séquence de 500 plis, sans perte d’efficacité. «Mais le Graal d’une durabilité à très long terme reste à atteindre», tempère l’expert. Les chercheurs en conviennent eux-mêmes: leur prototype d’e-textile, dont l’échantillon mesure 225 cm2, doit encore gagner en souplesse; il est pour l’heure aussi flexible que de la paille tressée. Les chercheurs disent vouloir rendre les fibres plus fines encore, de quoi amincir les tissus. Il doit devenir plus robuste aussi; des tests dans des environnements très humides (90%) ont montré une perte de 25% de performance. Sans même parler du fait que de tels tissus devraient si possible être lavables et résister à l’usure.

Peu de produits sur le marché

«Cela fait environ vingt ans que des textiles incorporant de l’électronique existent. Or ce n’est pas pour rien que très peu de ces e-textiles sont actuellement sur le marché, analyse l’expert Sabine Gimpel, directrice du marketing à l’Institut pour les textiles spéciaux, à Greiz (Allemagne). Les développer reste complexe, et ils doivent s’avérer vraiment compétitifs par rapport aux alternatives actuelles. Peut-être le seront-ils dans le futur. Et peut-être le sont-ils déjà dans certains cas spécifiques, comme pour les technologies spatiales. Plus que dans les habits, je vois par contre d’intéressantes possibilités d’application là où les surfaces de tissus sont grandes, comme les drapeaux, les rideaux ou les toiles de tentes.»

Adrian Ionescu, lui, se veut plus optimiste: «Les senseurs qui utiliseraient l’énergie ainsi collectée consomment peu. Par ailleurs, on peut imaginer que ces technologies soient utilisées en complément de batteries. Il est donc difficile de ne pas miser sur des progrès rapides dans ce domaine.»