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江南大學(xué)王潮霞教授/滑鐵盧大學(xué)Yuning Li 教授 JMST：創(chuàng)新可穿戴技術(shù)-傳感和能量收集的智能織物
2024-08-20  來源：高分子科技

  人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展，為健康監(jiān)測、人機(jī)交互、康復(fù)娛樂等提供復(fù)雜的信號(hào)分析。然而，這一進(jìn)展依賴于廣泛的數(shù)據(jù)收集，而傳統(tǒng)的傳感器通常體積龐大、笨重且成本高昂，往往需要外部電源或頻繁充電，這限制了可穿戴器件的使用性和便攜性。因此，開發(fā)一種體積較小、易于監(jiān)測、可大范圍推廣使用的多功能傳感器顯得尤為重要。近年來，熱電、摩擦電、壓電等能量收集技術(shù)的出現(xiàn)在可穿戴器件領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。其中，利用環(huán)境中溫度的變化直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的可穿戴熱電器件，成為具有潛在價(jià)值的能源供應(yīng)系統(tǒng)。在現(xiàn)有的可穿戴熱電器件中，基于薄膜基材的可穿戴熱電器件通常表現(xiàn)出值得稱贊的熱電傳感性能，但往往存在較差的透氣性、靈活性和集成較難等相關(guān)問題，影響穿戴者的舒適度。


  針對(duì)以上問題，江南大學(xué)王潮霞教授和加拿大滑鐵盧大學(xué)Yuning Li 教授提出了一種具有多功能傳感能力和自供電潛力的MXene熱電織物。這種以織物為基材的可穿戴熱電器件，利用織物基材自身的柔韌性和透氣性，成功解決了人體穿著舒適性問題。而基于MXene材料設(shè)計(jì)的熱電織物在溫度傳感和應(yīng)變傳感方面都表現(xiàn)出色，是連續(xù)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控的理想選擇。這種將MXene材料和與紡織技術(shù)相結(jié)合的能力，推動(dòng)可穿戴智能織物的發(fā)展，使智能織物離實(shí)用更進(jìn)一步，展示了在能量收集、運(yùn)動(dòng)跟蹤和健康監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。




  該研究工作受到了滑鐵盧大學(xué)的高度關(guān)注和認(rèn)可，滑鐵盧大學(xué)官方媒體對(duì)Yuning Li 教授進(jìn)行了相關(guān)研究內(nèi)容采訪，分別在滑鐵盧大學(xué)新聞官方網(wǎng)站（Power up your health with self-sustaining electronics | Waterloo News | University of Waterloo (uwaterloo.ca) ）和化學(xué)工程學(xué)院網(wǎng)站（Breakthrough in smart fabric for sensing and health monitoring | Chemical Engineering | University of Waterloo (uwaterloo.ca) ）進(jìn)行報(bào)道。


圖1 MXene熱電織物的制備工藝和應(yīng)用


  圖1展示了MXene熱電織物的制備過程、設(shè)計(jì)原理和潛在應(yīng)用，可以觀察到MXene熱電織物不僅能夠收集電能。當(dāng)MXene熱電織物與口罩進(jìn)行貼合時(shí)，其能夠利用身體和環(huán)境之間的溫差將熱能轉(zhuǎn)化為電能，并準(zhǔn)確地識(shí)別身體的呼吸狀態(tài)，同時(shí)，MXene熱電織物也可以通過自身的形變來監(jiān)測身體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。


圖2 MXene熱電織物輸出電壓測試裝置和熱電性能


  當(dāng)MXene熱電織物的兩端分別與冷源(未加熱)和熱源(加熱)接觸時(shí)，兩端的溫差誘導(dǎo)電子從熱端流向冷端，迫使電子在MXene熱電織物冷端不斷積累，從而導(dǎo)致MXene熱電織物兩端的電壓差不斷增加。熱電性能表征結(jié)果顯示MXene熱電織物的最高塞貝克系數(shù)達(dá)到-9.97 μVK-1，且具有良好的熱電循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。


圖3 MXene熱電織物的應(yīng)變傳感性能


  MXene熱電織物不僅呈現(xiàn)良好的熱電性能，作為應(yīng)變傳感織物，其也具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能。如圖3所示，觀察到MXene熱電織物作為應(yīng)變傳感器，最高靈敏度GF達(dá)到50.5，低檢測極限達(dá)到0.2%，以及30%的寬監(jiān)測范圍，對(duì)于外界刺激具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間（60/80ms），超過了文獻(xiàn)中大多數(shù)報(bào)道的值，且在3200次拉伸釋放循環(huán)過程中呈現(xiàn)良好的應(yīng)變傳感穩(wěn)定性。


圖4 MXene熱電織物的熱電傳感陣列原理圖、觸覺響應(yīng)和呼吸監(jiān)測應(yīng)用


  在熱電應(yīng)用方面，MXene熱電織物能夠利用外界溫差實(shí)現(xiàn)能量收集，且具有優(yōu)異的溫度傳感能力。通過將MXene熱電織物設(shè)計(jì)成熱電傳感陣列，不僅可以提高電能的收集，還可以作為觸覺識(shí)別系統(tǒng)，感知外界刺激的變化。此外，我們將熱電傳感陣列連接到口罩上，一端靠近呼吸區(qū)，另一端遠(yuǎn)離呼吸區(qū)(圖4g)，使熱電傳感陣列兩端溫度的存在差異，從而使輸出電壓隨呼吸模式的變化而改變，且準(zhǔn)確識(shí)別身體的呼吸狀態(tài)，證明了該熱電陣列具有監(jiān)測呼吸狀態(tài)的能力(圖4h)。


圖5 MXene熱電織物對(duì)身體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測


  MXene熱電織物作為應(yīng)變傳感器，具有良好的靈敏度和監(jiān)測范圍。通過自身的形變，MXene熱電織物可以準(zhǔn)確識(shí)別喉關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，以及手臂肌肉顫抖，展示良好的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測能力，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中具有潛在的應(yīng)用前景。
該研究工作以“MXene-based thermoelectric fabric integrated with temperature and strain sensing for health monitoring”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology期刊，通訊作者為江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院王潮霞教授和加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)工程系Yuning Li 教授，第一作者為江南大學(xué)20級(jí)博士研究生彭軍。該工作得到國家自然科學(xué)基金和中國留學(xué)基金委等項(xiàng)目資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.011


  滑鐵盧大學(xué)相關(guān)報(bào)道

  https://uwaterloo.ca/news/media/power-your-health-self-sustaining-electronics

  https://uwaterloo.ca/chemical-engineering/news/breakthrough-smart-fabric-sensing-and-health-monitoring

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（責(zé)任編輯：xu）
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