柔性電磁『發(fā)電衣』助力可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展

近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)日益成熟，智能可穿戴設(shè)備正在快速地發(fā)展。并且，它們被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、智能家居、通信等領(lǐng)域，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統(tǒng)電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、質(zhì)量大、體積大等問題，柔性可穿戴式能源采集方式受到了極大地關(guān)注。

服裝作為人體的第二層皮膚，具有極好的可穿戴舒適性，是能源器件極好的物理載體以及理想的可穿戴設(shè)備集成平臺。如果利用服裝收集人體日常行為中產(chǎn)生的生物機(jī)械能，便可解決可穿戴設(shè)備長期運(yùn)行的電池容量問題，促進(jìn)可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展。

近日，華中科技大學(xué)蘇彬教授、陶光明教授，中國香港理工大學(xué)陶肖明教授，武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授團(tuán)隊(duì)多學(xué)科交叉合作，研發(fā)了一款高性能柔性發(fā)電衣。

它將傳統(tǒng)的硬磁鐵做成了柔性紗線，能夠?qū)崿F(xiàn)磁體的柔性織物化。不僅能夠有效控制成本，實(shí)現(xiàn)了磁性織物制備的初步小試生產(chǎn)，還實(shí)現(xiàn)了超高的峰值輸出功率密度。本發(fā)電衣所用的磁性紗線及其織物與紡織加工技術(shù)兼容，可大規(guī)模批量生產(chǎn)。

相關(guān)論文以《用于從生物機(jī)械能到電能的高性能轉(zhuǎn)換的磁電發(fā)電衣》為題發(fā)表。

相關(guān)論文

該發(fā)電衣通過手臂擺動來實(shí)現(xiàn)為可穿戴電子設(shè)備“充電”，論文中展示了該技術(shù)為一些智能電子產(chǎn)品進(jìn)行供電，如LED燈、計(jì)算器、無線通信和健康監(jiān)測設(shè)備等。此外，鑒于磁性織物具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，其可以在極端環(huán)境下為我們的求生設(shè)備，如呼救機(jī)等，進(jìn)行緊急供電。

陶光明教授解釋道：“人們在日常生活中行走或奔跑時(shí)，通常會進(jìn)行擺臂等行為動作，這存在大量的生物機(jī)械能資源。由此，我們想到是否可以將這些浪費(fèi)掉的機(jī)械能資源收集起來，為柔性可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行供電，這樣便可解決可穿戴設(shè)備長期運(yùn)行的電池容量問題。”

具備超強(qiáng)柔韌性，自供電、水下及極端環(huán)境下安全工作

柔性可穿戴電子設(shè)備是未來人機(jī)交互的發(fā)展方向，柔性可穿戴式能源采集受到了極大地關(guān)注。該團(tuán)隊(duì)的研究初衷是將人體產(chǎn)生的機(jī)械能加以收集利用，為可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行供電。并且，他們希望磁性織物能夠柔性化，能夠和服裝一樣穿在身上，與柔性可穿戴器件相結(jié)合，解決其供電問題，這將極大地拓展柔性可穿戴器件的應(yīng)用場景，促進(jìn)可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展。

在以往的研究中，電磁能量收集策略主要面臨3個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

該發(fā)電衣的峰值輸出功率密度可以達(dá)到3197mW/m2，主要有兩方面原因：一方面，磁電的發(fā)電效率很高，磁電被廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站、核電站等領(lǐng)域中；另一方面，該團(tuán)隊(duì)制備的磁性織物中的磁含量很高（80wt.%），磁含量越高，織物的磁性就會越強(qiáng)，從而獲得更高的輸出功率密度。

蘇彬教授（左）、陶光明教授（右）

不僅如此，這種磁性織物還可以在水下工作，并且不受影響。

第一，該磁性織物采用顆粒流紡紗來制備連續(xù)磁性紗線，磁顆粒被緊緊地鎖在紗線內(nèi)部，形成芯套結(jié)構(gòu)的釹鐵硼磁紗，保證其在水下工作的可靠性；

第二，該團(tuán)隊(duì)通過最常見的工業(yè)織布機(jī)制備磁性織物，能夠達(dá)到工業(yè)級別的標(biāo)準(zhǔn)；

第三，磁性織物不會受到浸水的影響，而線圈部分我們使用漆包線，能夠完全與外界絕緣，所以保障了這種磁性織物在水下能夠正常工作。

“正如我們在論文中展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即便是經(jīng)過水洗，我們的發(fā)電衣仍然能夠保證其可靠性?！碧展饷鹘淌谡f。

在安全性方面，該團(tuán)隊(duì)主要考慮從材料、磁性織物的磁場強(qiáng)度、用電安全三方面綜合考慮，并找到恰當(dāng)?shù)奶幚矸桨浮?/p>

“我們的磁性織物使用釹鐵硼和常見的紡織高分子材料作為原材料，這些材料都是無毒無害的，不會對人體造成任何傷害?！碧K彬教授說。

他補(bǔ)充說道：“我們將磁性織物固定在手臂內(nèi)側(cè)，所制備的衣服為外套。并且隨著距離的增加，磁性織物的磁場強(qiáng)度會顯著下降，這可以保證我們的磁性織物的磁場對人體無害?！?/p>

此外，在用電安全性方面，該團(tuán)隊(duì)使用漆包線作為線圈部分，以保證不漏電。并且，研究人員對磁性織物與線圈都進(jìn)行了水洗和高低溫等試驗(yàn)，能保證其可靠性。

磁性織物的制備流程

材料科學(xué)-電磁學(xué)-紡織工程的跨領(lǐng)域多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，推進(jìn)多行業(yè)協(xié)同發(fā)展

柔性電磁發(fā)電衣將材料科學(xué)、電磁學(xué)和紡織工程技術(shù)結(jié)合，旨在將人類的日常行為動作所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電子服裝所需要的電能，解決電子服裝持續(xù)供電的問題，促進(jìn)可穿戴電子領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，是具有代表性的多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的科研進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)致力于突破自供能纖維及織物領(lǐng)域發(fā)展瓶頸的“卡脖子”難題，解決電子服裝持續(xù)供電問題，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴電子服裝的可持續(xù)發(fā)展。最終實(shí)現(xiàn)材料、電磁學(xué)與纖維、紡織、服飾三大國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)協(xié)同發(fā)展。

蘇彬教授表示，在研究過程中，主要有兩方面的困難，一方面是相關(guān)材料的研究，不同的材料具有不同的屬性，為了找到最合適的材料，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了不斷地探索；另一方面則是對工藝的研究?！拔覀冃枰獙⒋判圆牧现苽涑扇嵝缘募喚€、織物，就需要相應(yīng)的工藝條件，并且需要確保制備成的纖維和織物具有可靠性，這是相當(dāng)困難的?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)秉承科研的“匠心精神”，迎難而上。在選材階段，他們從紡織界常用的高分子材料入手，保證其安全和可靠性，將這些材料根據(jù)屬性進(jìn)行分類，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

“在工藝研究上，我們調(diào)研了市面上通行的紡織工藝，在現(xiàn)有的工藝條件基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并且調(diào)整優(yōu)化了材料和對應(yīng)的磁含量。這能保證我們生產(chǎn)出的磁性織物符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化帶來便利?！碧K彬教授說。

那么這種發(fā)電衣成本怎么樣，會不會特別貴呢？據(jù)了解，磁電衣物的成本來自于材料成本與生產(chǎn)磁電衣物的工藝成本。

磁性織物的展示

發(fā)電衣的應(yīng)用展示

從材料部分的成本看，該團(tuán)隊(duì)所使用的的原材料主要有釹鐵硼磁粉、紡織高分子材料、漆包銅線等。這些材料的生產(chǎn)制備已經(jīng)有非常成熟的產(chǎn)業(yè)體系，目前制作一件發(fā)電衣的費(fèi)用約為數(shù)百元。蘇彬教授認(rèn)為，隨著批量的生產(chǎn)制造，還可以將成本進(jìn)一步大大降低。

從生產(chǎn)磁電衣物的工藝成本看，該團(tuán)隊(duì)使用的工藝已經(jīng)在推動產(chǎn)業(yè)化，通過調(diào)整參數(shù)即可制備我們的磁性纖維和紗線，并且，未來的大規(guī)模批量生產(chǎn)可以有效降低成本。

因此，從上述兩方面綜合來看，磁電衣物的成本在可控的范圍內(nèi)。

該團(tuán)隊(duì)表示，在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之前，還需要進(jìn)行小規(guī)模試點(diǎn)，因此，向大眾普及這種新型衣物還需要一定的時(shí)間。進(jìn)一步提高工藝的產(chǎn)業(yè)化水平，將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，確保生產(chǎn)制備的統(tǒng)一可控性。

對于該項(xiàng)目的合作計(jì)劃，陶光明教授表示，“我們目前有一定的合作計(jì)劃，愿意與一到兩家具有創(chuàng)新思想的企業(yè)進(jìn)行合作，會進(jìn)一步研發(fā)、改進(jìn)設(shè)計(jì)，提供合作中的技術(shù)支持。企業(yè)方提供產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造，在推廣磁電發(fā)電衣的同時(shí)，還能為社會提供了更多的就業(yè)崗位，為社會的發(fā)展盡一份綿薄之力?！?/p>

對于下一步的研究進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化磁性織物，將考慮采用更為先進(jìn)的工藝方法，提高磁性纖維和磁性織物的柔性和可拉伸性，進(jìn)一步完善柔性發(fā)電衣的制備工藝、不斷降低成本等，實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

陶光明教授表示：“希望在未來能看到，在衣物上遍布著各種傳感器，通過收集人體運(yùn)動的能量進(jìn)行自供電，實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的健康狀態(tài)，或是實(shí)現(xiàn)各種有趣的功能，衣物一定會以更加智能化的面貌出現(xiàn)在人們的日常生活中?！?/p>