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圖1：用于能量收集的智能紡織示意圖

  幾千年來，紡織品一直是人類文明的伴生品。隨著化學(xué)和材料科學(xué)的進(jìn)步，紡織品與能量采集設(shè)備的結(jié)合，為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的分布式可穿戴電子產(chǎn)品提供了可持續(xù)環(huán)保的能量供給方案。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的陳俊教授團(tuán)隊(duì)從能量的種類、能量獲取方式和織物的利用形式等方面綜述了基于智能紡織品的可再生能量獲取的最新研究進(jìn)展。指出了當(dāng)前智能織物在能量收集方面存在的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。該工作以“Smart Textiles for Electricity Generation”為題，發(fā)表在《Chemical Reviews》上。

  傳統(tǒng)的化石能源所面臨的能源短缺危機(jī)、環(huán)境污染以及對(duì)公眾健康等問題，推動(dòng)了可再生和環(huán)境友好型能源技術(shù)的發(fā)展，以補(bǔ)充并進(jìn)一步完全替代化石能源。與此同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人技術(shù)和人工智能正推動(dòng)新型可持續(xù)普適能源的發(fā)展，為這些分布式設(shè)備提供能源。輕型的能量?jī)?chǔ)存單元，如電池，似乎為分布式設(shè)備提供了一種可行的能量供給方案。但對(duì)于可穿戴設(shè)備，傳統(tǒng)的剛性電池不利于保持其穿戴性能，且基于有毒化學(xué)材料的電池單元在生物電子的適用性方面和環(huán)境保護(hù)方面存在巨大缺陷。因此發(fā)展可用于穿戴設(shè)備，具有廣泛適用性、環(huán)境友好型和可持續(xù)的能量供給方式存在巨大需求。

  人體和其周圍環(huán)境，包括生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)、生物體熱量、生物體液和陽光等都是可持續(xù)的能量來源。例如，生物體熱能和生物機(jī)械能的功率分別可達(dá)4.8W和67W，生物體液包含的能量可轉(zhuǎn)化功率可達(dá)100W。此外，周圍環(huán)境產(chǎn)生的能量，如陽關(guān)輻射能量的功率密度可達(dá)100wM/cm²，而當(dāng)前可穿戴電子設(shè)備的功率需求范圍在200μW-1W，這些能量來源完全可以滿足可穿戴設(shè)備的能量需求。

  近年來，多種工作機(jī)制和可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的興起為這些能量的收集提供了多種途徑，例如摩擦電納米發(fā)電機(jī)，壓電納米發(fā)電機(jī)，熱點(diǎn)轉(zhuǎn)化器，生物能量單元，光伏單元和其他混合發(fā)電裝置。然而這些設(shè)計(jì)在可穿戴應(yīng)用方面存在一些缺陷，例如過大的厚度和臃腫的結(jié)構(gòu)使其穿戴舒適性較差，妨礙人體運(yùn)動(dòng)。此外，當(dāng)前報(bào)道的多數(shù)可穿戴能量收集裝置是基于高分子薄膜，這些材料的透氣性和機(jī)械疲勞性能很差，這些問題是目前可穿戴能量收集設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖2. 以棉線編織的摩擦電納米發(fā)電機(jī)智能織物，用于的生物機(jī)械能采集

  織物是人類文明的象征之一，在人類文明史中具有悠久的應(yīng)用歷史，當(dāng)前人造織物的材料種類繁多，從自然作物如蠶絲、羊毛和棉花等，到當(dāng)前多種人造纖維，這些材料編織成的織物具有優(yōu)異的生物相容性、透氣性、可降解性等性質(zhì)。通過將這些穿戴性好的織物與電子設(shè)備進(jìn)行組裝，使電子設(shè)備也具有良好的穿戴舒適性，輕質(zhì)性，透氣性等特點(diǎn)，已逐漸成為當(dāng)前的熱門研究方向。材料科學(xué)和化學(xué)的快速發(fā)展為用于能量收集的智能織物提供了革命性的進(jìn)步空間。

圖3. 從化學(xué)/材料和能源/可穿戴性出發(fā)的關(guān)于發(fā)電智能紡織品的結(jié)論和展望

  該論文的主體部分全面展示了當(dāng)前用于能量收集的智能織物的發(fā)展情況。為更好的闡釋這一主題，文章從不同的能源種類出發(fā)，覆蓋了智能織物的不同的能量采集的工作原理，材料創(chuàng)新，先進(jìn)設(shè)計(jì)，能量利用效率和穿戴應(yīng)用等方面。同時(shí)指出當(dāng)前存在的問題與挑戰(zhàn)。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00821

團(tuán)隊(duì)介紹

  陳俊博士現(xiàn)任加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系助理教授，并創(chuàng)建了可穿戴生物電子實(shí)驗(yàn)室，致力于以納米技術(shù)和生物電子為基礎(chǔ)，以智能織物、可穿戴器件和人體局域網(wǎng)為形式的，在能源、傳感、環(huán)境和醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的前沿應(yīng)用研究。已經(jīng)出版書籍2冊(cè)，論文220多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (3), Nature Communications (2), Science Advances, Joule (3)，Matter (6)，Advanced Materials (7) 等刊物發(fā)表論文120余篇。其作品七次入選《自然》和《科學(xué)》雜志研究熱點(diǎn)，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《華爾街日?qǐng)?bào)》、《科學(xué)美國(guó)人》、《新聞周刊》等世界主流媒體共計(jì) 1200 余次。此外，他還申請(qǐng)了 14 項(xiàng)美國(guó)專利，其中一項(xiàng)獲得了許可。他目前的H指數(shù)為80，連續(xù)2019，2020, 2021年入選Web of Science 全球高被引學(xué)者。陳俊博士現(xiàn)任Biosensors and Bioelectronics 雜志的副主編，也是Matter, Nano-Micro Letters, Materials Today Enregy, Cell Reports Physical Science, The Innovation等國(guó)際期刊的編委會(huì)成員。

  陳俊博士最近獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)與榮譽(yù)包括ACS PMSE Young Investigator Award ; Materials Today Rising Star Award; Fellow of International Association of Advanced Materials; Thought Leaders by AZO Materials; 30 Life Sciences Leaders To Watch by Informa; UCLA Society of Hellman Fellows Award; Okawa Foundation Research Award; Advanced Materials Rising Star; ACS Nano Rising Stars Lectureship Award; Chem. Soc. Rev. Emerging Investigator Award; JMCA Emerging Investigator Award; Nanoscale Emerging Investigator Award; Frontiers in Chemistry Rising Stars; IAAM Scientist Medal; 2020 Altmetric Top 100; Top 10 Science Stories of 2020 by Ontario Science Centre; Highly Cited Researchers 2020/2019/2021 in Web of Science.