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  將先進(jìn)的納米發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)紡織工藝相結(jié)合催生出基于紡織結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)（NGs）。這種結(jié)合將不可避免地推動(dòng)下一代可穿戴電子設(shè)備和多方面人工智能系統(tǒng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。納米發(fā)電機(jī)賦予了智能紡織品以機(jī)械能采集和多功能自驅(qū)動(dòng)傳感能力，而紡織品則為其發(fā)展提供了多樣化柔性設(shè)計(jì)載體和廣泛的可穿戴應(yīng)用平臺(tái)。然而，由于在納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)者和專注于智能紡織品的研究者之間缺乏有效的交互平臺(tái)和溝通橋梁，很難設(shè)計(jì)出既具有優(yōu)異電輸出性能又具有突出紡織相關(guān)性能的紡織基納米發(fā)電機(jī)。為此，這篇綜述從基本分類、材料選擇、制備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理和潛在應(yīng)用等角度對(duì)目前紡織相關(guān)的壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)地概括和分析。另外，對(duì)阻礙其大范圍商業(yè)化應(yīng)用的潛在困難和挑戰(zhàn)也進(jìn)行了介紹和分析。本項(xiàng)工作旨在加深智能紡織品與可穿戴納米發(fā)電機(jī)的聯(lián)系，同時(shí)推動(dòng)可穿戴納米發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

  近年來(lái)，中科院納米能源所王中林院士團(tuán)隊(duì)在纖維和織物基壓電和摩擦納米發(fā)電機(jī)方面取得了一系列研究工作，相關(guān)工作綜述成果以題為“Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence”發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials上。論文的第一作者為北京納米能源與系統(tǒng)研究所董凱副研究員和彭曉博士，通訊作者為王中林院士。

圖1 紡織基壓電和摩擦電納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用展示

  該綜述文章對(duì)智能紡織材料進(jìn)行了詳細(xì)的探討，包括目前紡織品的分類、導(dǎo)電紡織品的選用材料和制備方法等方面進(jìn)行論述。從結(jié)構(gòu)維度和制備工藝兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)代紡織品進(jìn)行分類。從結(jié)構(gòu)維度方面，可以分為零維纖維、一維紗線、二維織物和三維織物。從制備工藝方面，又可以分為機(jī)織、針織、編織和非織等方法。對(duì)于導(dǎo)電紡織材料，從常用的導(dǎo)電材料和常采用的導(dǎo)電材料施加方法等方面進(jìn)行介紹。常用的導(dǎo)電材料包括金屬及其衍生物、導(dǎo)電聚合物、碳質(zhì)填料、液態(tài)電極和混合填料等。常見(jiàn)的導(dǎo)電介質(zhì)施加方法包括涂層、紡絲、電鍍和打印等。

圖2 從結(jié)構(gòu)維度和制備工藝兩個(gè)方面進(jìn)行紡織品分類

圖3 對(duì)于導(dǎo)電紡織材料常用的導(dǎo)電材料及其施加方法

  之后，該綜述對(duì)纖維基或織物基壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)地歸納介紹和分析。并對(duì)兩者發(fā)電機(jī)理、工作模式和電信號(hào)特征進(jìn)行了分析和探討。該綜述對(duì)于壓電納米發(fā)電機(jī)的展開(kāi)主要分為三個(gè)部分，分別為基于單根纖維的壓電納米發(fā)電機(jī)、基于纖維織造結(jié)構(gòu)織物基壓電納米發(fā)電機(jī)和基于多層堆疊結(jié)構(gòu)的織物基壓電納米發(fā)電機(jī)。對(duì)于摩擦納米發(fā)電機(jī)的展開(kāi)則分為四個(gè)部分，分別為基于單根纖維的摩擦納米發(fā)電機(jī)、基于纖維織造結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)、基于織物堆疊結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)和其他與紡織相關(guān)的紡織基摩擦納米發(fā)電機(jī)。在這四個(gè)部分中，根據(jù)工作模式，單根纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)又可進(jìn)一步被分為單電極模式和具有對(duì)電極的接觸分離模式。根據(jù)施加載荷運(yùn)動(dòng)方向，基于纖維織造結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機(jī)也可以分為垂直上下運(yùn)動(dòng)模式和水平運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立層模式。其他紡織相關(guān)的紡織基納米發(fā)電機(jī)則主要包括靜電紡納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和紡織材料融入的膜狀結(jié)構(gòu)。將目前已經(jīng)報(bào)道的紡織基納米發(fā)電機(jī)與這些分類類別進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

  在結(jié)論和展望部分，該綜述對(duì)紡織基納米發(fā)電機(jī)在可穿戴電子和人工智能兩個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了論述。對(duì)于可穿戴電子，基于納米發(fā)電機(jī)的智能紡織品可以實(shí)時(shí)采集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)換為可持續(xù)的電能，作為人體日�？纱┐麟娮釉O(shè)備迫切需要的電能，維持這些電子器件的基本工作。也可以直接將產(chǎn)生的電信號(hào)作為各種傳感設(shè)備的信號(hào)來(lái)源，用于監(jiān)測(cè)或感測(cè)各種作用于人體的信號(hào)。對(duì)于人工智能，紡織基納米發(fā)電機(jī)將為人工智能的發(fā)展提供可行的實(shí)施方案和多樣化的溝通渠道。原則上，紡織基納米發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用于人工智能的各個(gè)方面，諸如健康、服裝、教育、軍事、金融、通信、體育、運(yùn)輸?shù)鹊取?

圖4 納米發(fā)電機(jī)在人工智能領(lǐng)域中的應(yīng)用

  盡管紡織基納米發(fā)電機(jī)在理論研究和多方面的應(yīng)用展示方面已經(jīng)取得了巨大的成就，然而與實(shí)際的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍存在巨大的差距。該綜述對(duì)目前紡織基納米發(fā)電機(jī)走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)和困難也進(jìn)行了探討和分析。這些潛在的挑戰(zhàn)主要包括工作穩(wěn)定性、各種服用性、工業(yè)化制備、電輸出能力、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)市場(chǎng)等幾個(gè)方面。盡管這些潛在的問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了紡織基納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)展，但是其大規(guī)模發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)成為不可避免的趨勢(shì)。我們堅(jiān)定的相信這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)將隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而得到很好解決�？偠灾覀冋J(rèn)為紡織基納米發(fā)電機(jī)將成為未來(lái)人類日常穿著織物的主流。

圖5 紡織基納米發(fā)電機(jī)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的潛在挑戰(zhàn)

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902549