L’incrustation, dans les tissus, d’éléments électroniques permettant de capter et stocker l’énergie environnante (mouvements, chaleur, solaire), et servant à alimenter divers senseurs et capteurs intégrés, est un domaine de recherche en plein boom
«Habit de soie n’a pas de puce.» A l’heure du tout connecté, ce proverbe estonien n’est plus vrai – si l’on comprend par «puces» des circuits, capteurs ou senseurs en tout genre. Le monde du textile incorpore ces technologies numériques. 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.
«D’ici à 2025, il y aura 50 milliards d’objets connectés dans le monde, dit Adrian Ionescu, professeur de nanoélectronique à l’EPFL. Cela représente une consommation d’énergie énorme!» Concernant les seuls textiles électroniques (e-textiles), le marché croîtra de 36% d’ici à 2022, estime l’analyste Occams Business Research&Consulting.
Sport et santé dominent le marché
Deux secteurs d’application dominent. Le sport, d’abord: capteurs et senseurs sont encapsulés dans les habits pour mesurer la performance, comme dans le maillot Hexoskin de la société montréalaise éponyme. Le PoloTech Shirt de Ralph Lauren inclut même un accéléromètre et un gyroscope, servant à repérer l’orientation d’un objet dans l’espace; les smartphones en sont équipés. L’autre domaine phare est la santé: des systèmes de détection «fondus» dans les vêtements monitorent les paramètres vitaux (pouls, respiration, etc.). Enfin, l’industrie du loisir s’intéresse à ce champ émergent: en 2015, Google et les jeans Levi’s ont lancé le Project Jacquard, visant à créer des tissus tactilement interactifs.
«Rendre ces objets aussi autonomes en énergie serait un immense atout», reprend Adrian Ionescu. Comment? En tirant surtout profit de trois formes d’énergie environnante: les mouvements, la chaleur (du corps) et l’exposition au soleil.
Voilà plus de dix ans que Zhong Lin Wang, à l’Université Georgia Tech, cherche à exploiter la première de ces trois sources. Il a mis au point des «nanogénérateurs triboélectriques» (TENG, en anglais): lorsque deux surfaces spécifiques sont frottées l’une contre l’autre, les charges électriques qu’elles contiennent sont déplacées, 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. L’équipe américaine a enroulé ces surfaces les unes dans les autres, créant ainsi une fibre. Si celle-ci 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.
Plusieurs groupes misent aussi sur l’effet piézoélectrique. Celui-ci caractérise des matériaux susceptibles de se polariser électriquement lorsqu’ils sont compressés ou déformés, comme une classe particulière d’entre eux, les polymères, dont il est possible de tisser des filaments. En 2014, des chercheurs de l’Université suédoise Chalmers ont montré que de tels fils produisaient 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 produire du courant, avec des capteurs thermoélectriques.
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 des 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 inventé des cellules solaires aussi ténues que des têtes d’épingle. Celles-ci peuvent 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.
«Si récupérer l’énergie environnante est opportuniste, l’objectif ultime est de pouvoir la stocker», poursuit Adrian Ionescu. Or là aussi, la recherche avance. Une autre équipe de l’UCF a intégré dans une étoffe des «rubans» de cuivre formant des «supercondensateurs», sorte de batteries surpuissantes constituées en couches. Les scientifiques disent être parvenus à les rendre si minces qu’ils sont flexibles. Par ailleurs, fin 2016, l’équipe de Zhong Lin Wang a présenté ce qui constitue l’e-textile le plus avancé, car hybride: ayant pour base un tissu traditionnel, celui-ci permet de récupérer les énergies mécanique (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, de l’Université Cornell de New York, «c’est là la preuve fantastique d’un concept qui pourra être transféré à des productions de masse pour les surfaces textiles», a-t-il confié à LiveScience.com. «L’un des points forts est que ce tissu a fonctionné décemment dans des conditions difficiles», commente Muchaneta Kapfunde, instigatrice 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-t-elle. Les chercheurs en conviennent: leur prototype d’e-textile, dont l’échantillon mesure 225 cm2, doit encore gagner en souplesse, avec des fibres plus fines; il est pour l’heure aussi flexible que de la paille tressée. Il doit devenir plus robuste aussi; des tests dans des conditions 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 vingt ans que des tissus incorporant de l’électronique existent. Or ce n’est pas sans raison que peu de ces e-textiles sont sur le marché, analyse l’experte Sabine Gimpel, de 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. Hormis certains cas spécifiques (dans le spatial par exemple), peut-être le seront-ils dans le futur. Mais plus que dans les habits, j’entrevois déjà d’intéressantes applications pour de grandes surfaces de tissu, comme les drapeaux, les rideaux ou les toiles de tente.» Adrian Ionescu, lui, se veut plus optimiste: «Les senseurs utilisant l’énergie ainsi récupérée consomment peu. De plus, 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.»
