智能可穿戴織物：令人腦洞大開(kāi)的未來(lái)科技

李召嶺

發(fā)電織物

發(fā)電織物是一種可以將周?chē)h(huán)境的機(jī)械能、太陽(yáng)能、熱釋能等能量轉(zhuǎn)化為電能的織物。依據(jù)機(jī)械能收集機(jī)理，可以分為摩擦電式發(fā)電織物和壓電式發(fā)電織物。研究人員通過(guò)涂層、刻蝕和改性等工藝對(duì)納米纖維膜進(jìn)行表面處理，并制備高性能可穿戴摩擦電織物，可以極大提升其電輸出性能和力學(xué)穩(wěn)定性。在輕拍面積為16cm的織物時(shí)，短路電流和電壓分別為110μA和540 V，最大能量密度為14.8W/m。該柔性發(fā)電織物在人體運(yùn)動(dòng)中收集生物機(jī)械能，可以做成發(fā)電鞋墊和發(fā)電衣服，提供可靠穩(wěn)定的供能保障，驅(qū)動(dòng)電子手表、溫度計(jì)等電子器件正常工作，并點(diǎn)亮約560盞LED燈，如圖1所示。

圖1 發(fā)電織物及其實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)人體在進(jìn)行生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的汗液，特別是在劇烈運(yùn)動(dòng)或天氣炎熱的情況下。然而，人體表面濕度的增加會(huì)對(duì)發(fā)電織物的電輸出性能產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。因此，研究人員又制備出一種耐濕抗汗的發(fā)電織物，通過(guò)表面化學(xué)修飾，提高摩擦層的表面疏水性，以消除水蒸氣對(duì)輸出電流的不利影響，提高了發(fā)電織物對(duì)于環(huán)境濕度的適應(yīng)能力。即使是在流汗的情況下，依舊可以高效收集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的生物機(jī)械能，并驅(qū)動(dòng)可穿戴電子設(shè)備正常工作。

隨著人們對(duì)于可穿戴器件的供能需求愈發(fā)迫切，發(fā)電織物由于具備輕質(zhì)便攜、結(jié)構(gòu)靈活、制造簡(jiǎn)單、成本低廉、可穿性好、供能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。但是發(fā)電織物目前仍然存在一些缺陷，如電路中阻抗大、輸出功率密度小，難以用于大功率設(shè)備的有效連續(xù)供電。由于人體運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，人體與織物的摩擦力度與接觸角度存在不可避免的不確定差異，使得發(fā)電織物的輸出功率不穩(wěn)定。此外，發(fā)熱織物的電輸出多為交流電，不利于微型化應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)高效的發(fā)電模型，改善接觸摩擦的界面，選擇恰當(dāng)?shù)哪Σ翆?、介質(zhì)材料，增加輸出電流密度，增強(qiáng)其電輸出的穩(wěn)定性。加大新型能源供應(yīng)配套系統(tǒng)的研究力度，積極推動(dòng)發(fā)電織物商業(yè)化的應(yīng)用進(jìn)展。

發(fā)熱織物

隨著全球極端天氣和氣候事件頻繁發(fā)生，發(fā)熱織物的出現(xiàn)可以很好地保障在極端條件下特殊作業(yè)人員的工作，如極地勘探人員、冷庫(kù)工作者、特種兵等。電致發(fā)熱紡織品在微弱電能下可持續(xù)主動(dòng)提供熱源，能夠廣泛應(yīng)用于保暖服裝、戶(hù)外裝備、地面供暖和醫(yī)療護(hù)具等領(lǐng)域。研究人員在發(fā)熱織物領(lǐng)域取得了令人矚目的成果，利用兩層滌綸織物作為外層，嵌入不同遠(yuǎn)紅外輻射納米顆粒的碳納米纖維作為夾層，制備高性能遠(yuǎn)紅外輻射加熱織物。碳納米纖維和紅外輻射納米顆粒的永久自發(fā)極化可以產(chǎn)生額外的電場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)發(fā)熱產(chǎn)品中的電流，有效地改善了碳納米纖維膜的遠(yuǎn)紅外性能，從而產(chǎn)生快速的電熱響應(yīng)和良好的保溫效果。該遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物具有良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的柔韌性和透氣性，優(yōu)異的導(dǎo)電性和能量轉(zhuǎn)換效率，為開(kāi)發(fā)智能加熱紡織品和可穿戴加熱服裝開(kāi)辟了新的機(jī)遇。

同時(shí)，利用多巴胺仿生修飾碳微米纖維，也可以構(gòu)筑遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物，能夠提高碳纖維表面的界面活性，并利用遠(yuǎn)紅外納米顆粒摻雜改性碳纖維，提高碳纖維的電熱轉(zhuǎn)換效率。在10 V的施加電壓下，發(fā)熱織物可以在10 min內(nèi)從室溫迅速升溫到60℃左右。該遠(yuǎn)紅外輻射發(fā)熱織物具有安全性高、溫度可控、熱穩(wěn)定性好、電熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)異的電熱性能，可廣泛用于個(gè)體保暖、醫(yī)療器械、可穿戴柔性電子等領(lǐng)域。

發(fā)熱織物的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，其熱穩(wěn)定性好，電熱轉(zhuǎn)化效率高，安全性均較高，穿著的熱濕舒適性也較好。電加熱織物通過(guò)對(duì)人體的主動(dòng)加熱，可以對(duì)觸覺(jué)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能夠有效降低服裝的厚度和質(zhì)量，提高人體的活動(dòng)自由度，在生物醫(yī)用、臨床醫(yī)療、個(gè)體保暖、智能可穿戴等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展空間。但是發(fā)熱織物仍存在諸多不足，如發(fā)熱不均勻，溫度精準(zhǔn)調(diào)控較差，且為實(shí)現(xiàn)輕量化，其電源的設(shè)計(jì)朝微型化方向發(fā)展，而目前的微型化電源電壓低，持續(xù)時(shí)間短，存在極端寒冷的情況下加熱功率不足等問(wèn)題。

傳感織物

皮膚是人體最大的器官，能夠感受溫度、濕度、壓力以及外界復(fù)雜的刺激。為了模仿人體皮膚的觸感，柔性傳感織物應(yīng)運(yùn)而生，其可以感知并對(duì)環(huán)境刺激做出相應(yīng)的響應(yīng)。由于其可實(shí)時(shí)檢測(cè)各種生理信號(hào)，從而有效地進(jìn)行健康狀況監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)防，因此可穿戴傳感織物已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。依據(jù)傳感織物檢測(cè)信號(hào)的不同，可以分為壓力傳感織物、溫度傳感織物、濕度傳感織物、汗液傳感織物等。為模擬皮膚對(duì)于外界壓力的感知，科研人員提出了一種自供電全纖維結(jié)構(gòu)的壓力傳感織物，具有優(yōu)異的拉伸性、可呼吸性、機(jī)械穩(wěn)定性、防水透濕性與壓力傳感性能。當(dāng)織物的拉伸變形達(dá)到50%時(shí)，其傳感性能和機(jī)械穩(wěn)定性也未受到明顯影響。在0～175 kPa傳感范圍內(nèi)，其靈敏度可達(dá)0.18 V/kPa，如圖2所示。該傳感織物能夠適應(yīng)于包括人體皮膚在內(nèi)的各種非平面表面，可用于不同目標(biāo)的觸覺(jué)感知和空間映射，在運(yùn)動(dòng)傳感、人機(jī)交互、智能機(jī)器人和智能假肢等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 壓力傳感織物及其實(shí)際應(yīng)用

為了模擬皮膚對(duì)于外界溫度變化的感知，研究人員開(kāi)發(fā)了柔性溫度傳感織物，其測(cè)量精度高，極易操作，方便靈活并兼顧生物相容性。該溫度傳感織物可以與皮膚表面緊密貼合，具有體積小、透氣性好、成本低、精度高等優(yōu)勢(shì)，能夠保持其原有的柔軟性和易變形性，通過(guò)檢測(cè)溫度信號(hào)將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如圖3。其靈敏度可達(dá)0.381%/℃，從室溫變化至40℃、60℃、80℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間分別為15.6 s、16 s和16.2 s，在可折疊電子、航空動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人傳感系統(tǒng)和生物仿真技術(shù)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景中有著重要的應(yīng)用前景。

圖3 溫度傳感織物及其實(shí)際應(yīng)用

目前，傳感織物在脈搏和血壓監(jiān)測(cè)、血糖和肌電監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)、呼吸強(qiáng)度監(jiān)測(cè)以及汗液成分分析等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。智能傳感織物提供了薄膜傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的可呼吸性和舒適性，但是其傳感靈敏度、穩(wěn)定性、水洗性與柔彈性等方面還需要進(jìn)一步提高。此外，低成本、大規(guī)模制備也是在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)。

吸波織物

電磁輻射污染成為繼水污染、空氣污染、噪音污染之后的第四大污染，電磁輻射不僅干擾各種電子設(shè)備的正常運(yùn)行，威脅通信設(shè)備的信息安全，而且對(duì)人類(lèi)的身體健康造成潛在危害。因此治理電磁污染，開(kāi)發(fā)能夠抵擋并削弱電磁波輻射的吸波材料已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。研究人員采用靜電紡絲和煅燒相結(jié)合的方法制備了一種多孔、輕質(zhì)的碳納米纖維基吸波織物。由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和引入的磁性顆粒組分，該復(fù)合織物表現(xiàn)出高效的吸波能力。碳納米纖維膜的鈷、鐵納米粒子有利于膜的導(dǎo)電性，并通過(guò)在膜內(nèi)創(chuàng)建金屬-金屬交叉點(diǎn)來(lái)減少接觸損失。引入的磁性顆粒組分能夠改進(jìn)復(fù)合纖維膜的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，以提高其電磁波吸收性能，在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)最大屏蔽效能可達(dá)43.60 dB。該碳納米纖維基吸波織物為新型電磁波吸收材料的設(shè)計(jì)提供了一種有效的策略，可在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行電磁屏蔽（見(jiàn)圖4）。

圖4 吸波織物及其實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)有電磁屏蔽材料普遍存在手感硬質(zhì)、屏蔽頻率范圍窄、屏蔽效能提升困難、功能單一的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)輕質(zhì)、舒適、高效、多功能電磁防護(hù)材料的迫切需求。高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、耐高溫的吸波織物為寬頻帶、多波段電磁屏蔽提供了新的機(jī)遇，從根本上實(shí)現(xiàn)了電磁屏蔽材料“薄、輕、寬、高”的發(fā)展目標(biāo)。未來(lái)可通過(guò)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多組分復(fù)合、材料性能改進(jìn)等方面實(shí)現(xiàn)吸波織物的電磁屏蔽阻抗匹配，通過(guò)磁-電耦合效應(yīng)改善低頻和高頻電磁損耗效能，拓寬電磁響應(yīng)波段，進(jìn)一步提高電磁屏蔽性能。

當(dāng)前，智能可穿戴織物面臨重要的發(fā)展機(jī)遇，也面臨諸多的問(wèn)題與技術(shù)挑戰(zhàn)。智能可穿戴織物既要具備電子器件的電子特性，又要具備普通織物的可穿戴性能。然而目前由于技術(shù)水平還不夠成熟，難以完美平衡兩者之間的關(guān)系。當(dāng)電性能優(yōu)異時(shí)，其柔彈性、舒適性、水洗性以及耐疲勞性都有待提高，反之亦然。智能可穿戴織物不可避免地受到外力作用，產(chǎn)生彎曲、磨損、拉伸等各種形變，因此需要電子設(shè)備具備良好的抗外力作用，以保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)然，可洗性與耐洗性也非常重要，早期智能紡織品的電子器件是可拆卸的，可在清洗時(shí)將其取出。近些年的智能紡織品主要依靠防水封裝來(lái)保護(hù)敏感的電子器件在洗滌時(shí)不被損壞。此外，智能可穿戴織物領(lǐng)域還缺乏相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法，沒(méi)有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。如今在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，智能可穿戴織物已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，也取得了許多很有顯示度的成果。在纖維和織物層次上實(shí)現(xiàn)智能傳感器件或織物電路的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并逐步向商業(yè)化和市場(chǎng)化推進(jìn)。