背景

     一件酷酷的夾克衫，不僅穿起來讓人感覺既輕便又舒適，而且重要的是，還可以產(chǎn)生和傳輸電能，讓你在夜晚跑步時，穿上它以后閃閃發(fā)光。這聽上去有點像科幻小說和電影中的場景，但是不久的未來，這一切都將變?yōu)楝F(xiàn)實。

    對于這種智能衣服和紡織品，筆者之前在《新型紡織品利用太陽能和風能為可穿戴電子產(chǎn)品供電》一文中有過介紹，喬治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種紡織物，它結(jié)合了兩種電力生產(chǎn)方式：轉(zhuǎn)化太陽能或者動能成為電力。未來，使用這種織物做成的服裝，可為例如智能手機或者GPS系統(tǒng)的智能電子設(shè)備供電。

    這種纖維織物是由輕質(zhì)聚合物纖維，以及纖維納米發(fā)電機組成的太陽能電池編織在一起，它和今天我們要介紹的創(chuàng)新有一樣的原理：摩擦起電效應(yīng)，使用由例如旋轉(zhuǎn)、滑動、振動等物理運動引起的摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)，產(chǎn)生少量電能。

    （圖片來源于：喬治亞理工學(xué)院）

    創(chuàng)新  

    下面看看我們今天要介紹的創(chuàng)新，最近美國馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校的材料科學(xué)家 Trisha Andrew 和同事們進行了創(chuàng)新，試圖打造這樣的一種智能夾克衫。他們發(fā)明了一種新方式，將透氣、柔韌、不含金屬的電極，集成到織物和成品衣物上，不僅觸感很好，而且能傳輸足夠的電力，為小型電子設(shè)備供電。

  涂有PEDOT的紗線，作為“普通”的線，從墻上的插座將電力傳輸?shù)綗霟岬臒襞葜小?br />

    （圖片來源于：馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校）

    他們的論文于本月發(fā)表在線版的《高級功能材料》雜志上。 對于這項創(chuàng)新， Andrew 說：

    “我們實驗室在紡織電子方面進行研究，我們致力于構(gòu)建一種材料科學(xué)，你可以交給我們?nèi)魏文阆胍龀傻囊路魏蚊媪希魏渭徔椃绞剑覀儗⑺兂梢环N導(dǎo)體。這種導(dǎo)電紡織品可以集成到復(fù)雜的電子設(shè)備中。例如，有一項應(yīng)用就是吸收人體運動的能量，然后將它轉(zhuǎn)化為電能。當你每次運動時候，它都可以產(chǎn)生電能。”

    技術(shù)

 三種不同的織物，可將拉扯或者輕拍的動作產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。
 

（圖片來源于：馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校）

    摩擦生電

    這項創(chuàng)新的核心技術(shù)，根據(jù) Andrew 的解釋，就是摩擦生電。通過層與層之間的相對運動，即不同的材料之間進行摩擦，材料將會帶電，如同干燥冬天，我們拿一把梳子在毛衣或者頭發(fā)上摩擦一樣，都會產(chǎn)生電力。 當人們保持摩擦相對運動時，會產(chǎn)生出幾微瓦的電力。

    氣相沉積法

    Andrew 和她實驗室的博士后研究員 Lu Shuai Zhang 在論文中描述，他們采用的是氣相沉積法。通過這種方法，他們?yōu)槔w維織物涂上導(dǎo)電聚合物：聚（3,4-亞乙二氧基噻吩） “3,4-ethylenedioxytiophene”，簡稱為“PEDOT”，進行平紋編織。

    直到最近，科研人員指出，紡織品學(xué)家傾向于避免使用汽相淀積法，因為技術(shù)上困難，以及成本較高，難以將規(guī)模擴大，超出實驗室范疇。但是，過去10年以來，產(chǎn)業(yè)界例如地毯制造商和機械零部件制造商已經(jīng)展示了這項技術(shù)可以用于量產(chǎn)，并且很劃算。

    測試

    研究人員報告的測試結(jié)果包括：導(dǎo)電性、織物穩(wěn)定性、PEDOT 薄膜的化學(xué)和機械穩(wěn)定性、14種織物紡織參數(shù)對電導(dǎo)率的影響 ，其中包括五種不同編織的棉布、亞麻布和絲綢。

    對于測試結(jié)果，Andrew 說：

    “我們文章描述了制造這些強健的導(dǎo)體所采用的材料科學(xué)。我們展示了它們對于洗，擦，人的汗水和大量的磨損，都具有很強穩(wěn)定性。”

    當我們用手去觸摸涂有PEDOT 涂層之前和之后的織物，手感并不會發(fā)生任何變化。纖維織物的重量由于涂層引起的增加不超過2%。

    價值

    對于這項研究的價值，Andrew 這么評價：

    “我們有很強的動機，去使用一些目前已經(jīng)熟悉的產(chǎn)品，例如棉線和絲線、纖維織物和衣物，讓它們自然地和新技術(shù)相結(jié)合。對于消費品來說，這是一個巨大的飛躍，因為你無需說服他人，穿上和現(xiàn)有的東西不一樣的產(chǎn)品。”

    從中可以看出，這項技術(shù)將和現(xiàn)有衣服和紡織品結(jié)合，制作可穿戴設(shè)備電子設(shè)備。這樣的設(shè)備穿戴在身上時，將更加自然舒適，不讓人感覺像是佩戴了一個多余的產(chǎn)品。

    另外，這種導(dǎo)電織物耐拉伸、耐磨損，洗滌后或者熨燙后保持穩(wěn)定。他們記錄下的最薄的涂層差不多是500納米，差不多是人類頭發(fā)絲直徑的十分之一，并且保持良好的纖維織物手感。

    這種智能紡織品能夠傳輸電力，可用于遠程監(jiān)控健康數(shù)據(jù)，特別是在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域的價值，將不斷提升來說。

    未來

    Andrew 是馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校應(yīng)用生命科學(xué)研究所個性化健康檢測中心 （IALS）可穿戴電子方面的主任。這個月所報告的基礎(chǔ)工作已經(jīng)完成，她的實驗室也在現(xiàn)成的健康胸罩上，制作了一個可穿戴的心率監(jiān)測器，其中他們添加了8個電極。他們不久將讓志愿者在跑步機上佩戴測試。

    她解釋道，醫(yī)院的心率檢測器有12個電極，而我們今天佩戴的普通手環(huán)只有一個，所以這樣的健康監(jiān)測手環(huán)很容易誤報結(jié)果。他們單獨測試了具有8個電極的文胸，或者加上打底褲，再增加四個電極，然后通過控制查看監(jiān)測傳感器能否達到醫(yī)院級的準確度和靈敏度。作者在論文中稱，這種柔性可穿戴電子設(shè)備，代表人機接口的最前沿技術(shù)，具有最先進的生理監(jiān)測效果。

    未來，Andrew 說：“你給我們?nèi)我庖患路覀儗阉兂商柲茈姵兀@樣你在陽光下行走，照射在衣服上的太陽能可以存儲在電池內(nèi)，或者為小型電子設(shè)備供電。”

    科研人員相信這種氣相涂層能夠通過一種稱為“表面移植”的工藝，粘連到纖維織物上，它將利用表面游離的粘合劑，化學(xué)綁定到聚合物涂層的一端，但是他們目前還沒有完全研究好。

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責任編輯：王元

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    三種不同的織物，可將拉扯或者輕拍的動作產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。