智能织物--（2016-2020年）十个关注度高、新颖的应用

智能织物--（2016-2020年）十个关注度高、新颖的应用

最近几年，可穿戴电子皮肤与织物这个领域发展迅速。Web of Science 以“wearable electronics”为关键词搜索的统计数据表明论文数从2010年不到40篇到2019年的1400篇，总论文数5554篇，被引次数高达13万多，相当于均篇引用24个。

特地做一个总结，精挑细选出近五年（2016-2020年）十个关注度高、新颖的应用，并为每个应用方向介绍几篇代表性研究论文，以飨读者。所列的应用有本征可拉伸晶体管阵列、自供能电子、人造皮肤传感器、智能织物、可透气电子、生理液体检测、生物电子、神经突触电子、虚拟/增强现实、智能隐形眼镜等。

集成到衣服中的智能织物能够显示，监控我们的运动、健康状况或为电子产品充电。从而作为我们的第二皮肤，将成为人与自然、人与机器之间的智能界面。

一、在织物上制备超材料

2019年新加坡国立大学的John S. Ho课题组通过在织物上制备超材料形成表面等离激元来实现信号无线传输。从而解决之前依赖于无线电波通信的能源效率较低，容易受到窃听等缺点。在与没有超材料织物的传统辐射网络相比，改进的bodyNet将传输效率提高了三个数量级，并将无线通信限制在人体10厘米以内，从而保证了信号的私密性。另外该方法可以提供对运动和基于纺织品的无线触摸感应具有鲁棒性的无线传输。

2020年该课题组利用计算机控制的含导电纤维的衣服设计出多个并相互连接的近场通讯（NFC）导线环，从而能够在身体周围多个遥远点之间建立无需电源的数据连接，形成bodyNet。 作者演示了该bodyNet系统在实时，多节点测量脊柱姿势以及在运动过程中连续感应温度和步态的实用性。

【参考文献】https://www.nature.com/articles/s41928-019-0257-7https://www.nature.com/articles/s41467-020-14311-2

二、基于汗水供能的柔性超级电容器

2020年英国格拉斯哥大学Ravinder Dahiya课题组提出了一种基于汗水供能的柔性超级电容器，用于自供电的智能纺织品和可穿戴系统。该超级电容器使用汗水作为电解质，导电聚合物作为活性电极。作者通过不同体积的人工汗液（20、50和100 µL），弯曲半径（10、15、20 mm），充放电稳定性（4000次循环）和耐洗性评估该超级电容器稳定性。另外，作者首次展示了基于汗液供能的超级电容器以监测汗液盐度，并在真实的人类汗液下，观察到的能量和功率密度分别为0.25 Wh/kg和30.62 W/kg。

【参考文献】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907254

三、基于纳米发电机的电子织物

在2014年，基于纳米发电机的电子织物被首尔国立大学的Dae‐Hyeong Kim课题组报道。他们开发了一种基于集成电源系统的可穿戴织物，该集成电源系统利用人类活动来摩擦地产生电能，并将所产生的能量存储在组合超级电容器中，用作 自供电显示器或作为户外穿戴的电源。 

2016年香港理工大学Zijian Zheng课题组通过对机织Cu-PET和PI-Cu-PET纱线进行织造，开发了具有人体可洗性的用于人类呼吸监测的纺织摩擦电纳米发电机。纱线纵横交点处产生摩擦电荷，以使最大短路电流密度达到15.50 mA/m2。通过集成到胸带中，可以监测人的呼吸频率和深度。

2020年重庆大学Jin Yang课题组和佐治亚理工学院Zhonglin Wang等采用全开襟针迹的导电和尼龙纱编织了具有高灵敏度的摩擦电全纺织品传感器，用于表皮微弱的压力捕获。该电子织物可以提供高压力灵敏度，快速响应时间，循环稳定性，和可洗性。这个电子织物可以直接整合到织物的不同部位（颈部，腕部，指尖和脚踝位置的脉搏波，以及腹部和胸部的呼吸波）。作者进一步开发了智能健康监测系统，用于实时和远程连续获取和保存用于分析心血管疾病和评估睡眠呼吸暂停综合症的信号。

2020年东华大学Hongzhi Wang课题组报道了一种全纤维材料构成的摩擦铁电器件及其在WEST中为电子设备供电以及监视人体运动的应用。全纤维材料保证了一定的透气性和透湿性，另外在器件外部包覆具有吸湿排汗功能的纤维层（棉纤维），从而使得器件具有热湿稳定性。该摩擦铁电器件在低频（〜2.5 Hz）运动下，其最大峰值功率密度达到5.2 W/m2，是之前报道的透气摩擦电纺织品的7倍。另外，他们还演示了全纤维摩擦电器件在服装中的几种实际应用。

【参考文献】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201402439

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201603679

https://advances.sciencemag.org/content/6/11/eaay2840

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13569-5

四、3D打印碳纳米管（CNT）多种图案化的电子纺织物

2019年清华大学Yingying Zhang课题组报使用配备同轴喷丝头的3D打印机直接打印由芯鞘纤维组成的多种图案化的电子纺织物。 为了进行演示，作者使用碳纳米管（CNT）作为导电核，并使用丝素蛋白（SF）作为介电鞘，并制作了基于CNTs@SF核鞘纤维的智能图案，该图案还被用作摩擦电纳米发电机纺织品。智能纺织品可以从人体运动中获取生物机械能，并实现高达18 mW/m2的功率密度。 最后，作者还演示了用于储能的超级电容器纺织品的印刷。在纺织品上直接印刷智能图案可能有助于大规模生产带有集成电子产品的电子纺织产品。

【参考文献】

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519300037

五、可穿戴发光电子纺织品

加拿大温莎大学Tricia Breen Carmichael课题组演示了一种新的以纺织品为中心的可穿戴设备设计范例。 作者使用基于溶液的金属化方法，用保形金膜在超透明针织纺织品的开放式框架结构上涂覆一层金，以形成高导电（3.6±0.9Ω/ sq）的金涂层超透明电极，并在R /下将电导率保持在200％应变 R0 <2。超透明电极产生可穿戴的，高度可拉伸的发光电子纺织品，其功能达到200％的应变。 模版印刷防蜡剂可提供图案化的电极，用于图案化的发光； 此外，结合软接触层压可生产出发光纺织品，这些纺织品首次展现出易于改变的照明模式。

【参考文献】

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30017-5

六、可穿戴生物电子电源

2020年重庆大学Xing Fan课题组和加州大学洛杉矶分校Jun Chen课题组提出一种可光充电的织物，作为可穿戴生物电子产品的高性能，可持续和稳定的电源。从轻质，低成本的聚合物纤维开始，并利用工业编织技术，可光生产的可充电织物可大量生产，对社区产生实际影响。在标准的1阳光条件下充电1分钟后，织物能够以0.1 mA的电流持续供电10分钟。它也可以在扭曲和潮湿的环境下正常工作，并将存储的能量保持60天以上，而不会出现明显的电压损失。可充电的织物被证明可以为人体区域传感器网络提供个性化医疗服务。

加州大学洛杉矶分校Jun Chen课题组和重庆大学Jin Yang课题组继续报告了一种具有艺术设计的基于纺织品的传感器（TS）系统，用于可穿戴生物监控和通过互联网进行交互。TS能够为环境微小压力感测提供高达3.88 V / kPa的灵敏度。TS由耐用材料制成，在超过80,000次连续运行循环后表现出卓越的耐用性。作者还开发了一种无线生物监测系统（WBS），用于及时处理所采集的人类脉搏波信号，并通过APP接口将患者的健康数据无线传输并显示到智能手机上。WBS用于在整个睡眠过程中即使有身体运动也能有效诊断阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征。基于纺织品的无线生物监测系统是物联网时代朝着构建用于个性化医疗保健的身体区域网络迈出的坚实一步。

【参考文献】

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30022-9

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30416-3