导读

很多朋友喜欢夜跑,但夜晚光线不好,会存在一些安全隐患。最近,美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的科研人员开发了一种透气、柔韧、不含金属的电极。当你穿上集成这种电极的衣服,可以通过运动产生的电量,使衣服闪闪发光,让夜跑更安全。


关键字

智能织物、柔性电子、可穿戴设备

背景

一件酷酷的夹克衫,不仅穿起来让人感觉既轻便又舒适,而且重要的是,还可以产生和传输电能,让你在夜晚跑步时,穿上它以后闪闪发光。这听上去有点像科幻小说和电影中的场景,但是不久的未来,这一切都将变为现实。


对于这种智能衣服和纺织品,笔者之前在《新型纺织品利用太阳能和风能为可穿戴电子产品供电》一文中有过介绍,乔治亚理工学院的研究人员开发了一种纺织物,它结合了两种电力生产方式:转化太阳能或者动能成为电力。未来,使用这种织物做成的服装,可为例如智能手机或者GPS系统的智能电子设备供电。


这种纤维织物是由轻质聚合物纤维,以及纤维纳米发电机组成的太阳能电池编织在一起,它和今天我们要介绍的创新有一样的原理:摩擦起电效应,使用由例如旋转、滑动、振动等物理运动引起的摩擦起电效应和静电感应,产生少量电能。


(图片来源于:乔治亚理工学院)

创新


下面看看我们今天要介绍的创新,最近美国马萨诸塞大学安姆斯特分校的材料科学家 Trisha Andrew 和同事们进行了创新,试图打造这样的一种智能夹克衫。他们发明了一种新方式,将透气、柔韧、不含金属的电极,集成到织物和成品衣物上,不仅触感很好,而且能传输足够的电力,为小型电子设备供电。


涂有PEDOT的纱线,作为“普通”的线,从墙上的插座将电力传输到炽热的灯泡中。

(图片来源于:马萨诸塞大学安姆斯特分校)


他们的论文于本月发表在线版的《高级功能材料》杂志上


对于这项创新,Andrew 说:


“我们实验室在纺织电子方面进行研究,我们致力于构建一种材料科学,你可以交给我们任何你想要做成的衣服,任何面料,任何纺织方式,我们将会将它变成一种导体。这种导电纺织品可以集成到复杂的电子设备中。例如,有一项应用就是吸收人体运动的能量,然后将它转化为电能。当你每次运动时候,它都可以产生电能。”

技术

三种不同的织物,可将拉扯或者轻拍的动作产生的能量转化为电能。

(图片来源于:马萨诸塞大学安姆斯特分校)

  • 摩擦生电


这项创新的核心技术,根据 Andrew 的解释,就是摩擦生电通过层与层之间的相对运动,即不同的材料之间进行摩擦,材料将会带电,如同干燥冬天,我们拿一把梳子在毛衣或者头发上摩擦一样,都会产生电力。当人们保持摩擦相对运动时,会产生出几微瓦的电力。

  • 气相沉积法

Andrew 和她实验室的博士后研究员 Lu Shuai Zhang 在论文中描述,他们采用的是气相沉积法。通过这种方法,他们为纤维织物涂上导电聚合物:聚(3,4-亚乙二氧基噻吩) “3,4-ethylenedioxytiophene”,简称为“PEDOT”,进行平纹编织。


直到最近,科研人员指出,纺织品学家倾向于避免使用汽相淀积法,因为技术上困难,以及成本较高,难以将规模扩大,超出实验室范畴。但是,过去10年以来,产业界例如地毯制造商和机械零部件制造商已经展示了这项技术可以用于量产,并且很划算。

  • 测试


研究人员报告的测试结果包括:导电性、织物稳定性、PEDOT 薄膜的化学和机械稳定性、14种织物纺织参数对电导率的影响,其中包括五种不同编织的棉布、亚麻布和丝绸。

对于测试结果,Andrew 说:


“我们文章描述了制造这些强健的导体所采用的材料科学。我们展示了它们对于洗,擦,人的汗水和大量的磨损,都具有很强稳定性。”

当我们用手去触摸涂有PEDOT 涂层之前和之后的织物,手感并不会发生任何变化。纤维织物的重量由于涂层引起的增加不超过2%。

价值

对于这项研究的价值,Andrew 这么评价:


“我们有很强的动机,去使用一些目前已经熟悉的产品,例如棉线和丝线、纤维织物和衣物,让它们自然地和新技术相结合。对于消费品来说,这是一个巨大的飞跃,因为你无需说服他人,穿上和现有的东西不一样的产品。”

从中可以看出,这项技术将和现有衣服和纺织品结合,制作可穿戴设备电子设备。这样的设备穿戴在身上时,将更加自然舒适,不让人感觉像是佩戴了一个多余的产品。


另外,这种导电织物耐拉伸、耐磨损,洗涤后或者熨烫后保持稳定。他们记录下的最薄的涂层差不多是500纳米,差不多是人类头发丝直径的十分之一,并且保持良好的纤维织物手感。


这种智能纺织品能够传输电力,可用于远程监控健康数据,特别是在军事和医疗等领域的价值,将不断提升来说。

未来

Andrew马萨诸塞大学安姆斯特分校应用生命科学研究所个性化健康检测中心
(IALS)
可穿戴电子方面的主任。这个月所报告的基础工作已经完成,她的实验室也在现成的健康胸罩上,制作了一个可穿戴的心率监测器,其中他们添加了8个电极。他们不久将让志愿者在跑步机上佩戴测试。


她解释道,医院的心率检测器有12个电极,而我们今天佩戴的普通手环只有一个,所以这样的健康监测手环很容易误报结果。他们单独测试了具有8个电极的文胸,或者加上打底裤,再增加四个电极,然后通过控制查看监测传感器能否达到医院级的准确度和灵敏度。作者在论文中称,这种柔性可穿戴电子设备,代表人机接口的最前沿技术,具有最先进的生理监测效果。

未来,Andrew 说:


“你给我们任意一件衣服,我们将会把它变成太阳能电池,这样你在阳光下行走,照射在衣服上的太阳能可以存储在电池内,或者为小型电子设备供电。”

科研人员相信这种气相涂层能够通过一种称为“表面移植”的工艺,粘连到纤维织物上,它将利用表面游离的粘合剂,化学绑定到聚合物涂层的一端,但是他们目前还没有完全研究好。

参考资料


【1】http://www.umass.edu/newsoffice/article/shelf-power-generating-clothes-are-almost

【2】onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201700415/full



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