智能可穿戴能源纤维（刘萌萌）

智能可穿戴能源纤维

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中国科学院北京纳米能源与系统研究所  刘萌萌

人类从来没有遇到过这种情况，在中国东部密集出现了200 多个百万以上人口级别的大城市，超过5 亿人从农村来到了城市。“齐之临淄三百闾，张袂成帷，挥汗成雨，比肩继踵而在。”，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撑。在化石能源驱动的时代，雾霾、光化学烟雾，燃油发动机排放的废气给人类生活带来很多问题，
4 z; k$ }  p' t" x, b7 u. Q  w已经到了不得不解决的时候。如今，新能源技术越来越受到社会的重视，用新能源汽车驱动城市交通从而解决交通污染问题是人们的愿望，新能源技术产生的影响不仅仅在出行交通方面，与柔性可穿戴技术的结合是智能服装发展的一个重要支撑。
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+ b; P7 p# j1 b  h& _2 a: U3 F智能穿戴作为一个新兴的领域，需要美学设计、纺织、能源化学、材料学、计算机通信等各学科跨领域的密切合作。本文将从能源的角度从能源收集、能源储存、纤维能源的应用和能源与其他模块的连接四个方面来介绍智能纤维能源的研究和应用。

1. 光能、机械能收集纤维—复合能源衣
我们生存的环境中存在光、风、人体运动等各种能量，如何收集这些能量并转化为电能给随身穿戴的电子设备提供持续电能是人们向往已久的梦想。图1 为一种新型全固态智能可穿戴织物，通过飞梭织布技术，可以在一张320 微米厚的单层织物中，将太阳能织物模块和纳米发电机模块按照不同的电气输出要求进行编织，并根据需求集成到人体衣物的不同部位。该织物不仅可以采集太阳光能，还可以同时将人体运动导致的织物内部纤维机械摩擦转化成电能，从而驱动随身电子设备不间断地工作。只要有光，只要人在运动，纤维织物便可以源源不断地收集能量。
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图1 复合能源纤维产生的电能可以为手表供电（注：源自《Nature Energy》）

2. 储能纤维—衣服做成的电池？—基于纺织物的可穿戴微型超级电容器
7 P# H  T+ b9 v1 _- U智能服装多功能的实现需要电池、电容器等能源存储器件来供能。传统的刚性锂电池等已被广泛应用于各种智能纺织物中，然而其非柔性的特点极大地限制了它们的应用。理想的智能纺织物的能源器件也应该是以纺织纤维的形式存在，并能直接编入衣服中与供能器件连接起来使用，并对织物的舒适度与柔软度没有大的影响。同时，环境中的能量收集后需要及时将这些能量储存起来，为可穿戴器件供电。图2 为纤维基二维平面状和一维线状超级电容器，将氧化还原石墨烯等材料以自组装的方与导电纤维编制一起发挥储能作用。轻薄和柔性的纤维作为基底，可以直接编织到布料中。布料由微米级别的纤维纺成，每一根纤维、每一束纤维之间有足够的空隙，提供了大量的比表面积，天然地承载了加载到纤维空间中的石墨烯等电池活性物质。
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图2   纤维平面、线状超级电容器

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3. 纤维基能源的应用—纤维触觉
) D7 z/ O) w( N( ], g, w储存的能源的应用之一是为功能模块供电，在这些功能器件中，可以感受或响应外界刺激的压力、应力传感器是电子织品的重要组成部分。智能服装的飞速发展对这些传感器提出了更高的要求，希望其具有和柔性纤维可比的轻质量、舒适、柔性。然而，大多数压力传感器是由传统光刻等方法制备的硅基压力传感器，其高硬度、低灵敏性、有限的传感范围很难满足智能服装未来发展需求。图3 为在织物基底上的附着在人造手的不同手指上的压力传感器阵列，输出信号可以实时地随着应力大小的变化而变化，从而使纤维带有“触觉”。
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图3   纤维压力传感器阵列

Google 与 Levi's 合作的Project Jacquard（通常译为提花面料） 于去年上市了一款带有触控功能的jacket（夹克衫），利用我们所熟知的纺织原料，包括棉、麻等纤维与导电纤维编成纱线进而在纱线织进布料中实现触控功能。将纤维编制在牛仔夹克的袖子上，使得骑行( 自行车) 者可以在骑车过程中通过拍击、摩擦、滑动袖子等方式来控制随身携带的手机等智能设备，比如切换音乐、获得导航等。


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图4   Project Jacquard 面料

4. 能源与其他模块的连接—柔性纤维导电图案
! F' z0 H) S" x9 V智能服装中有传感器、蓝牙、能源等很多模块，如何将这些模块集成起来？实现方法之一是将导电纤维编织到布料中，另一种方法是以布料为基底直接在上面进行柔性图案的设计，使其导电的同时，又不损失纤维的形貌( 图5)。这种设计的优点在于它拥有导电功能，同时又可以随心所欲地设计想要的图形展示个性。
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集成到衣服上的电子元器件引起了人们的广泛兴趣。如植入纤维不同柔性传感器可实现各种生理指标实时监测的服装、可以对周围电子产品如手机及其他电子设备进行操作和控制的服装、可以对手机等智能设备进行充电的服装等。与新能源技术和互联网思维相结合，是智能服装研究的思路之一，同时消费者对智能可穿戴服装舒适性、时尚美观等提出了更高的要求。程序员和设计师仿佛是处于两个不同的次元的生物，但是在智能服装的发展中两者缺一不可，因为智能和时尚这两者人们都需要，而这在纤维能源方面也不例外。

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图5    纤维基底的柔性导电图案和柔性电路

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