智能可穿戴能源纖維（劉萌萌）

智能可穿戴能源纖維

中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所  劉萌萌

- q( D8 n/ G5 e& y/ j0 D3 w+ R人類(lèi)從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)這種情況，在中國東部密集出現了200 多個(gè)百萬(wàn)以上人口級別的大城市，超過(guò)5 億人從農村來(lái)到了城市?！褒R之臨淄三百閭，張袂成帷，揮汗成雨，比肩繼踵而在?！?，寒冬的供暖、出行的交通，城市人美好生活的背后是能源消耗的支撐。在化石能源驅動(dòng)的時(shí)代，霧霾、光化學(xué)煙霧，燃油發(fā)動(dòng)機排放的廢氣給人類(lèi)生活帶來(lái)很多問(wèn)題，
, r! a+ |' E# ]% L已經(jīng)到了不得不解決的時(shí)候。如今，新能源技術(shù)越來(lái)越受到社會(huì )的重視，用新能源汽車(chē)驅動(dòng)城市交通從而解決交通污染問(wèn)題是人們的愿望，新能源技術(shù)產(chǎn)生的影響不僅僅在出行交通方面，與柔性可穿戴技術(shù)的結合是智能服裝發(fā)展的一個(gè)重要支撐。
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# O4 I4 n6 L9 m* `智能穿戴作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，需要美學(xué)設計、紡織、能源化學(xué)、材料學(xué)、計算機通信等各學(xué)科跨領(lǐng)域的密切合作。本文將從能源的角度從能源收集、能源儲存、纖維能源的應用和能源與其他模塊的連接四個(gè)方面來(lái)介紹智能纖維能源的研究和應用。
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1. 光能、機械能收集纖維—復合能源衣
3 w8 S9 d/ u  D  |0 K8 W0 w我們生存的環(huán)境中存在光、風(fēng)、人體運動(dòng)等各種能量，如何收集這些能量并轉化為電能給隨身穿戴的電子設備提供持續電能是人們向往已久的夢(mèng)想。圖1 為一種新型全固態(tài)智能可穿戴織物，通過(guò)飛梭織布技術(shù)，可以在一張320 微米厚的單層織物中，將太陽(yáng)能織物模塊和納米發(fā)電機模塊按照不同的電氣輸出要求進(jìn)行編織，并根據需求集成到人體衣物的不同部位。該織物不僅可以采集太陽(yáng)光能，還可以同時(shí)將人體運動(dòng)導致的織物內部纖維機械摩擦轉化成電能，從而驅動(dòng)隨身電子設備不間斷地工作。只要有光，只要人在運動(dòng)，纖維織物便可以源源不斷地收集能量。


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圖1 復合能源纖維產(chǎn)生的電能可以為手表供電（注：源自《Nature Energy》）

2. 儲能纖維—衣服做成的電池？—基于紡織物的可穿戴微型超級電容器
' w  I$ L3 S- c: ^' z2 ~智能服裝多功能的實(shí)現需要電池、電容器等能源存儲器件來(lái)供能。傳統的剛性鋰電池等已被廣泛應用于各種智能紡織物中，然而其非柔性的特點(diǎn)極大地限制了它們的應用。理想的智能紡織物的能源器件也應該是以紡織纖維的形式存在，并能直接編入衣服中與供能器件連接起來(lái)使用，并對織物的舒適度與柔軟度沒(méi)有大的影響。同時(shí)，環(huán)境中的能量收集后需要及時(shí)將這些能量?jì)Υ嫫饋?lái)，為可穿戴器件供電。圖2 為纖維基二維平面狀和一維線(xiàn)狀超級電容器，將氧化還原石墨烯等材料以自組裝的方與導電纖維編制一起發(fā)揮儲能作用。輕薄和柔性的纖維作為基底，可以直接編織到布料中。布料由微米級別的纖維紡成，每一根纖維、每一束纖維之間有足夠的空隙，提供了大量的比表面積，天然地承載了加載到纖維空間中的石墨烯等電池活性物質(zhì)。

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圖2   纖維平面、線(xiàn)狀超級電容器

3. 纖維基能源的應用—纖維觸覺(jué)
' A+ I1 q. B  o1 R7 h# [儲存的能源的應用之一是為功能模塊供電，在這些功能器件中，可以感受或響應外界刺激的壓力、應力傳感器是電子織品的重要組成部分。智能服裝的飛速發(fā)展對這些傳感器提出了更高的要求，希望其具有和柔性纖維可比的輕質(zhì)量、舒適、柔性。然而，大多數壓力傳感器是由傳統光刻等方法制備的硅基壓力傳感器，其高硬度、低靈敏性、有限的傳感范圍很難滿(mǎn)足智能服裝未來(lái)發(fā)展需求。圖3 為在織物基底上的附著(zhù)在人造手的不同手指上的壓力傳感器陣列，輸出信號可以實(shí)時(shí)地隨著(zhù)應力大小的變化而變化，從而使纖維帶有“觸覺(jué)”。

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圖3   纖維壓力傳感器陣列

4 w  r. K4 @, k0 |8 F. {Google 與 Levi's 合作的Project Jacquard（通常譯為提花面料） 于去年上市了一款帶有觸控功能的jacket（夾克衫），利用我們所熟知的紡織原料，包括棉、麻等纖維與導電纖維編成紗線(xiàn)進(jìn)而在紗線(xiàn)織進(jìn)布料中實(shí)現觸控功能。將纖維編制在牛仔夾克的袖子上，使得騎行( 自行車(chē)) 者可以在騎車(chē)過(guò)程中通過(guò)拍擊、摩擦、滑動(dòng)袖子等方式來(lái)控制隨身攜帶的手機等智能設備，比如切換音樂(lè )、獲得導航等。
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圖4   Project Jacquard 面料

4. 能源與其他模塊的連接—柔性纖維導電圖案
) t3 p' Q( S( g/ o* b) @) z& e智能服裝中有傳感器、藍牙、能源等很多模塊，如何將這些模塊集成起來(lái)？實(shí)現方法之一是將導電纖維編織到布料中，另一種方法是以布料為基底直接在上面進(jìn)行柔性圖案的設計，使其導電的同時(shí)，又不損失纖維的形貌( 圖5)。這種設計的優(yōu)點(diǎn)在于它擁有導電功能，同時(shí)又可以隨心所欲地設計想要的圖形展示個(gè)性。

7 ~# ?3 T4 G4 t3 b. G! Z; q集成到衣服上的電子元器件引起了人們的廣泛興趣。如植入纖維不同柔性傳感器可實(shí)現各種生理指標實(shí)時(shí)監測的服裝、可以對周?chē)娮赢a(chǎn)品如手機及其他電子設備進(jìn)行操作和控制的服裝、可以對手機等智能設備進(jìn)行充電的服裝等。與新能源技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)思維相結合，是智能服裝研究的思路之一，同時(shí)消費者對智能可穿戴服裝舒適性、時(shí)尚美觀(guān)等提出了更高的要求。程序員和設計師仿佛是處于兩個(gè)不同的次元的生物，但是在智能服裝的發(fā)展中兩者缺一不可，因為智能和時(shí)尚這兩者人們都需要，而這在纖維能源方面也不例外。

圖5    纖維基底的柔性導電圖案和柔性電路