智能織物--（2016-2020年）十個關注度高、新穎的應用

智能織物--（2016-2020年）十個關注度高、新穎的應用

最近幾年，可穿戴電子皮膚與織物這個領域發展迅速。Web of Science 以“wearable electronics”為關鍵詞搜索的統計數據表明論文數從2010年不到40篇到2019年的1400篇，總論文數5554篇，被引次數高達13萬多，相當于均篇引用24個。

特地做一個總結，精挑細選出近五年（2016-2020年）十個關注度高、新穎的應用，并為每個應用方向介紹幾篇代表性研究論文，以饗讀者。所列的應用有本征可拉伸晶體管陣列、自供能電子、人造皮膚傳感器、智能織物、可透氣電子、生理液體檢測、生物電子、神經突觸電子、虛擬/增強現實、智能隱形眼鏡等。

集成到衣服中的智能織物能夠顯示，監控我們的運動、健康狀況或為電子產品充電。從而作為我們的第二皮膚，將成為人與自然、人與機器之間的智能界面。

一、在織物上制備超材料

2019年新加坡國立大學的John S. Ho課題組通過在織物上制備超材料形成表面等離激元來實現信號無線傳輸。從而解決之前依賴于無線電波通信的能源效率較低，容易受到竊聽等缺點。在與沒有超材料織物的傳統輻射網絡相比，改進的bodyNet將傳輸效率提高了三個數量級，并將無線通信限制在人體10厘米以內，從而保證了信號的私密性。另外該方法可以提供對運動和基于紡織品的無線觸摸感應具有魯棒性的無線傳輸。

2020年該課題組利用計算機控制的含導電纖維的衣服設計出多個并相互連接的近場通訊（NFC）導線環，從而能夠在身體周圍多個遙遠點之間建立無需電源的數據連接，形成bodyNet。 作者演示了該bodyNet系統在實時，多節點測量脊柱姿勢以及在運動過程中連續感應溫度和步態的實用性。

【參考文獻】https://www.nature.com/articles/s41928-019-0257-7https://www.nature.com/articles/s41467-020-14311-2

二、基于汗水供能的柔性超級電容器

2020年英國格拉斯哥大學Ravinder Dahiya課題組提出了一種基于汗水供能的柔性超級電容器，用于自供電的智能紡織品和可穿戴系統。該超級電容器使用汗水作為電解質，導電聚合物作為活性電極。作者通過不同體積的人工汗液（20、50和100 μL），彎曲半徑（10、15、20 mm），充放電穩定性（4000次循環）和耐洗性評估該超級電容器穩定性。另外，作者首次展示了基于汗液供能的超級電容器以監測汗液鹽度，并在真實的人類汗液下，觀察到的能量和功率密度分別為0.25 Wh/kg和30.62 W/kg。

【參考文獻】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907254

三、基于納米發電機的電子織物

在2014年，基于納米發電機的電子織物被首爾國立大學的Dae‐Hyeong Kim課題組報道。他們開發了一種基于集成電源系統的可穿戴織物，該集成電源系統利用人類活動來摩擦地產生電能，并將所產生的能量存儲在組合超級電容器中，用作 自供電顯示器或作為戶外穿戴的電源。 

2016年香港理工大學Zijian Zheng課題組通過對機織Cu-PET和PI-Cu-PET紗線進行織造，開發了具有人體可洗性的用于人類呼吸監測的紡織摩擦電納米發電機。紗線縱橫交點處產生摩擦電荷，以使最大短路電流密度達到15.50 mA/m2。通過集成到胸帶中，可以監測人的呼吸頻率和深度。

2020年重慶大學Jin Yang課題組和佐治亞理工學院Zhonglin Wang等采用全開襟針跡的導電和尼龍紗編織了具有高靈敏度的摩擦電全紡織品傳感器，用于表皮微弱的壓力捕獲。該電子織物可以提供高壓力靈敏度，快速響應時間，循環穩定性，和可洗性。這個電子織物可以直接整合到織物的不同部位（頸部，腕部，指尖和腳踝位置的脈搏波，以及腹部和胸部的呼吸波）。作者進一步開發了智能健康監測系統，用于實時和遠程連續獲取和保存用于分析心血管疾病和評估睡眠呼吸暫停綜合癥的信號。

2020年東華大學Hongzhi Wang課題組報道了一種全纖維材料構成的摩擦鐵電器件及其在WEST中為電子設備供電以及監視人體運動的應用。全纖維材料保證了一定的透氣性和透濕性，另外在器件外部包覆具有吸濕排汗功能的纖維層（棉纖維），從而使得器件具有熱濕穩定性。該摩擦鐵電器件在低頻（?2.5 Hz）運動下，其最大峰值功率密度達到5.2 W/m2，是之前報道的透氣摩擦電紡織品的7倍。另外，他們還演示了全纖維摩擦電器件在服裝中的幾種實際應用。

【參考文獻】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201402439

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201603679

https://advances.sciencemag.org/content/6/11/eaay2840

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13569-5

四、3D打印碳納米管（CNT）多種圖案化的電子紡織物

2019年清華大學Yingying Zhang課題組報使用配備同軸噴絲頭的3D打印機直接打印由芯鞘纖維組成的多種圖案化的電子紡織物。 為了進行演示，作者使用碳納米管（CNT）作為導電核，并使用絲素蛋白（SF）作為介電鞘，并制作了基于CNTs@SF核鞘纖維的智能圖案，該圖案還被用作摩擦電納米發電機紡織品。智能紡織品可以從人體運動中獲取生物機械能，并實現高達18 mW/m2的功率密度。 最后，作者還演示了用于儲能的超級電容器紡織品的印刷。在紡織品上直接印刷智能圖案可能有助于大規模生產帶有集成電子產品的電子紡織產品。

【參考文獻】

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519300037

五、可穿戴發光電子紡織品

加拿大溫莎大學Tricia Breen Carmichael課題組演示了一種新的以紡織品為中心的可穿戴設備設計范例。 作者使用基于溶液的金屬化方法，用保形金膜在超透明針織紡織品的開放式框架結構上涂覆一層金，以形成高導電（3.6±0.9Ω/ sq）的金涂層超透明電極，并在R /下將電導率保持在200％應變 R0 <2。超透明電極產生可穿戴的，高度可拉伸的發光電子紡織品，其功能達到200％的應變。 模版印刷防蠟劑可提供圖案化的電極，用于圖案化的發光； 此外，結合軟接觸層壓可生產出發光紡織品，這些紡織品首次展現出易于改變的照明模式。

【參考文獻】

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30017-5

六、可穿戴生物電子電源

2020年重慶大學Xing Fan課題組和加州大學洛杉磯分校Jun Chen課題組提出一種可光充電的織物，作為可穿戴生物電子產品的高性能，可持續和穩定的電源。從輕質，低成本的聚合物纖維開始，并利用工業編織技術，可光生產的可充電織物可大量生產，對社區產生實際影響。在標準的1陽光條件下充電1分鐘后，織物能夠以0.1 mA的電流持續供電10分鐘。它也可以在扭曲和潮濕的環境下正常工作，并將存儲的能量保持60天以上，而不會出現明顯的電壓損失。可充電的織物被證明可以為人體區域傳感器網絡提供個性化醫療服務。

加州大學洛杉磯分校Jun Chen課題組和重慶大學Jin Yang課題組繼續報告了一種具有藝術設計的基于紡織品的傳感器（TS）系統，用于可穿戴生物監控和通過互聯網進行交互。TS能夠為環境微小壓力感測提供高達3.88 V / kPa的靈敏度。TS由耐用材料制成，在超過80,000次連續運行循環后表現出卓越的耐用性。作者還開發了一種無線生物監測系統（WBS），用于及時處理所采集的人類脈搏波信號，并通過APP接口將患者的健康數據無線傳輸并顯示到智能手機上。WBS用于在整個睡眠過程中即使有身體運動也能有效診斷阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征。基于紡織品的無線生物監測系統是物聯網時代朝著構建用于個性化醫療保健的身體區域網絡邁出的堅實一步。

【參考文獻】

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30022-9

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30416-3