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  將先進的納米發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)紡織工藝相結(jié)合催生出基于紡織結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機（NGs）。這種結(jié)合將不可避免地推動下一代可穿戴電子設(shè)備和多方面人工智能系統(tǒng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。納米發(fā)電機賦予了智能紡織品以機械能采集和多功能自驅(qū)動傳感能力，而紡織品則為其發(fā)展提供了多樣化柔性設(shè)計載體和廣泛的可穿戴應(yīng)用平臺。然而，由于在納米發(fā)電機的設(shè)計者和專注于智能紡織品的研究者之間缺乏有效的交互平臺和溝通橋梁，很難設(shè)計出既具有優(yōu)異電輸出性能又具有突出紡織相關(guān)性能的紡織基納米發(fā)電機。為此，這篇綜述從基本分類、材料選擇、制備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理和潛在應(yīng)用等角度對目前紡織相關(guān)的壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機進行了詳細地概括和分析。另外，對阻礙其大范圍商業(yè)化應(yīng)用的潛在困難和挑戰(zhàn)也進行了介紹和分析。本項工作旨在加深智能紡織品與可穿戴納米發(fā)電機的聯(lián)系，同時推動可穿戴納米發(fā)電機的進一步研究和應(yīng)用。

  近年來，中科院納米能源所王中林院士團隊在纖維和織物基壓電和摩擦納米發(fā)電機方面取得了一系列研究工作，相關(guān)工作綜述成果以題為“Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence”發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Materials上。論文的第一作者為北京納米能源與系統(tǒng)研究所董凱副研究員和彭曉博士，通訊作者為王中林院士。

圖1 紡織基壓電和摩擦電納米發(fā)電機的應(yīng)用展示

  該綜述文章對智能紡織材料進行了詳細的探討，包括目前紡織品的分類、導(dǎo)電紡織品的選用材料和制備方法等方面進行論述。從結(jié)構(gòu)維度和制備工藝兩個方面對現(xiàn)代紡織品進行分類。從結(jié)構(gòu)維度方面，可以分為零維纖維、一維紗線、二維織物和三維織物。從制備工藝方面，又可以分為機織、針織、編織和非織等方法。對于導(dǎo)電紡織材料，從常用的導(dǎo)電材料和常采用的導(dǎo)電材料施加方法等方面進行介紹。常用的導(dǎo)電材料包括金屬及其衍生物、導(dǎo)電聚合物、碳質(zhì)填料、液態(tài)電極和混合填料等。常見的導(dǎo)電介質(zhì)施加方法包括涂層、紡絲、電鍍和打印等。

圖2 從結(jié)構(gòu)維度和制備工藝兩個方面進行紡織品分類

圖3 對于導(dǎo)電紡織材料常用的導(dǎo)電材料及其施加方法

  之后，該綜述對纖維基或織物基壓電納米發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機進行了詳細地歸納介紹和分析。并對兩者發(fā)電機理、工作模式和電信號特征進行了分析和探討。該綜述對于壓電納米發(fā)電機的展開主要分為三個部分，分別為基于單根纖維的壓電納米發(fā)電機、基于纖維織造結(jié)構(gòu)織物基壓電納米發(fā)電機和基于多層堆疊結(jié)構(gòu)的織物基壓電納米發(fā)電機。對于摩擦納米發(fā)電機的展開則分為四個部分，分別為基于單根纖維的摩擦納米發(fā)電機、基于纖維織造結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機、基于織物堆疊結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機和其他與紡織相關(guān)的紡織基摩擦納米發(fā)電機。在這四個部分中，根據(jù)工作模式，單根纖維摩擦納米發(fā)電機又可進一步被分為單電極模式和具有對電極的接觸分離模式。根據(jù)施加載荷運動方向，基于纖維織造結(jié)構(gòu)的織物基摩擦納米發(fā)電機也可以分為垂直上下運動模式和水平運動的獨立層模式。其他紡織相關(guān)的紡織基納米發(fā)電機則主要包括靜電紡納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和紡織材料融入的膜狀結(jié)構(gòu)。將目前已經(jīng)報道的紡織基納米發(fā)電機與這些分類類別進行對應(yīng)。

  在結(jié)論和展望部分，該綜述對紡織基納米發(fā)電機在可穿戴電子和人工智能兩個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了論述。對于可穿戴電子，基于納米發(fā)電機的智能紡織品可以實時采集人體運動機械能，將其轉(zhuǎn)換為可持續(xù)的電能，作為人體日常可穿戴電子設(shè)備迫切需要的電能，維持這些電子器件的基本工作。也可以直接將產(chǎn)生的電信號作為各種傳感設(shè)備的信號來源，用于監(jiān)測或感測各種作用于人體的信號。對于人工智能，紡織基納米發(fā)電機將為人工智能的發(fā)展提供可行的實施方案和多樣化的溝通渠道。原則上，紡織基納米發(fā)電機可以應(yīng)用于人工智能的各個方面，諸如健康、服裝、教育、軍事、金融、通信、體育、運輸?shù)鹊取?

圖4 納米發(fā)電機在人工智能領(lǐng)域中的應(yīng)用

  盡管紡織基納米發(fā)電機在理論研究和多方面的應(yīng)用展示方面已經(jīng)取得了巨大的成就，然而與實際的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍存在巨大的差距。該綜述對目前紡織基納米發(fā)電機走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)和困難也進行了探討和分析。這些潛在的挑戰(zhàn)主要包括工作穩(wěn)定性、各種服用性、工業(yè)化制備、電輸出能力、評價標準和目標市場等幾個方面。盡管這些潛在的問題嚴重阻礙了紡織基納米發(fā)電機的應(yīng)用進展，但是其大規(guī)模發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)成為不可避免的趨勢。我們堅定的相信這些問題和挑戰(zhàn)將隨著科學(xué)技術(shù)的進步而得到很好解決。總而言之，我們認為紡織基納米發(fā)電機將成為未來人類日常穿著織物的主流。

圖5 紡織基納米發(fā)電機大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的潛在挑戰(zhàn)

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902549