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圖1：用于能量收集的智能紡織示意圖

  幾千年來，紡織品一直是人類文明的伴生品。隨著化學和材料科學的進步，紡織品與能量采集設備的結合，為物聯網時代的分布式可穿戴電子產品提供了可持續環保的能量供給方案。美國加州大學洛杉磯分校的陳俊教授團隊從能量的種類、能量獲取方式和織物的利用形式等方面綜述了基于智能紡織品的可再生能量獲取的最新研究進展。指出了當前智能織物在能量收集方面存在的挑戰和未來發展方向。該工作以“Smart Textiles for Electricity Generation”為題，發表在《Chemical Reviews》上。

  傳統的化石能源所面臨的能源短缺危機、環境污染以及對公眾健康等問題，推動了可再生和環境友好型能源技術的發展，以補充并進一步完全替代化石能源。與此同時，隨著物聯網時代的到來，無線傳感器網絡、大數據、機器人技術和人工智能正推動新型可持續普適能源的發展，為這些分布式設備提供能源。輕型的能量儲存單元，如電池，似乎為分布式設備提供了一種可行的能量供給方案。但對于可穿戴設備，傳統的剛性電池不利于保持其穿戴性能，且基于有毒化學材料的電池單元在生物電子的適用性方面和環境保護方面存在巨大缺陷。因此發展可用于穿戴設備，具有廣泛適用性、環境友好型和可持續的能量供給方式存在巨大需求。

  人體和其周圍環境，包括生物機械運動、生物體熱量、生物體液和陽光等都是可持續的能量來源。例如，生物體熱能和生物機械能的功率分別可達4.8W和67W，生物體液包含的能量可轉化功率可達100W。此外，周圍環境產生的能量，如陽關輻射能量的功率密度可達100wM/cm²，而當前可穿戴電子設備的功率需求范圍在200μW-1W，這些能量來源完全可以滿足可穿戴設備的能量需求。

  近年來，多種工作機制和可穿戴設備設計的興起為這些能量的收集提供了多種途徑，例如摩擦電納米發電機，壓電納米發電機，熱點轉化器，生物能量單元，光伏單元和其他混合發電裝置。然而這些設計在可穿戴應用方面存在一些缺陷，例如過大的厚度和臃腫的結構使其穿戴舒適性較差，妨礙人體運動。此外，當前報道的多數可穿戴能量收集裝置是基于高分子薄膜，這些材料的透氣性和機械疲勞性能很差，這些問題是目前可穿戴能量收集設備在實際應用中面臨的主要挑戰。

圖2. 以棉線編織的摩擦電納米發電機智能織物，用于的生物機械能采集

  織物是人類文明的象征之一，在人類文明史中具有悠久的應用歷史，當前人造織物的材料種類繁多，從自然作物如蠶絲、羊毛和棉花等，到當前多種人造纖維，這些材料編織成的織物具有優異的生物相容性、透氣性、可降解性等性質。通過將這些穿戴性好的織物與電子設備進行組裝，使電子設備也具有良好的穿戴舒適性，輕質性，透氣性等特點，已逐漸成為當前的熱門研究方向。材料科學和化學的快速發展為用于能量收集的智能織物提供了革命性的進步空間。

圖3. 從化學/材料和能源/可穿戴性出發的關于發電智能紡織品的結論和展望

  該論文的主體部分全面展示了當前用于能量收集的智能織物的發展情況。為更好的闡釋這一主題，文章從不同的能源種類出發，覆蓋了智能織物的不同的能量采集的工作原理，材料創新，先進設計，能量利用效率和穿戴應用等方面。同時指出當前存在的問題與挑戰。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00821

團隊介紹

  陳俊博士現任加州大學洛杉磯分校生物工程系助理教授，并創建了可穿戴生物電子實驗室，致力于以納米技術和生物電子為基礎，以智能織物、可穿戴器件和人體局域網為形式的，在能源、傳感、環境和醫療領域內的前沿應用研究。已經出版書籍2冊，論文220多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (3), Nature Communications (2), Science Advances, Joule (3)，Matter (6)，Advanced Materials (7) 等刊物發表論文120余篇。其作品七次入選《自然》和《科學》雜志研究熱點，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《華爾街日報》、《科學美國人》、《新聞周刊》等世界主流媒體共計 1200 余次。此外，他還申請了 14 項美國專利，其中一項獲得了許可。他目前的H指數為80，連續2019，2020, 2021年入選Web of Science 全球高被引學者。陳俊博士現任Biosensors and Bioelectronics 雜志的副主編，也是Matter, Nano-Micro Letters, Materials Today Enregy, Cell Reports Physical Science, The Innovation等國際期刊的編委會成員。

  陳俊博士最近獲得的獎項與榮譽包括ACS PMSE Young Investigator Award ; Materials Today Rising Star Award; Fellow of International Association of Advanced Materials; Thought Leaders by AZO Materials; 30 Life Sciences Leaders To Watch by Informa; UCLA Society of Hellman Fellows Award; Okawa Foundation Research Award; Advanced Materials Rising Star; ACS Nano Rising Stars Lectureship Award; Chem. Soc. Rev. Emerging Investigator Award; JMCA Emerging Investigator Award; Nanoscale Emerging Investigator Award; Frontiers in Chemistry Rising Stars; IAAM Scientist Medal; 2020 Altmetric Top 100; Top 10 Science Stories of 2020 by Ontario Science Centre; Highly Cited Researchers 2020/2019/2021 in Web of Science.