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江南大學王潮霞教授/滑鐵盧大學Yuning Li 教授 JMST:創新可穿戴技術-傳感和能量收集的智能織物
2024-08-20  來源:高分子科技

  人工智能技術正在迅速發展,為健康監測、人機交互、康復娛樂等提供復雜的信號分析。然而,這一進展依賴于廣泛的數據收集,而傳統的傳感器通常體積龐大、笨重且成本高昂,往往需要外部電源或頻繁充電,這限制了可穿戴器件的使用性和便攜性。因此,開發一種體積較小、易于監測、可大范圍推廣使用的多功能傳感器顯得尤為重要。近年來,熱電、摩擦電、壓電等能量收集技術的出現在可穿戴器件領域取得了快速的發展。其中,利用環境中溫度的變化直接將熱能轉化為電能的可穿戴熱電器件,成為具有潛在價值的能源供應系統。在現有的可穿戴熱電器件中,基于薄膜基材的可穿戴熱電器件通常表現出值得稱贊的熱電傳感性能,但往往存在較差的透氣性、靈活性和集成較難等相關問題,影響穿戴者的舒適度。


  針對以上問題,江南大學王潮霞教授和加拿大滑鐵盧大學Yuning Li 教授提出了一種具有多功能傳感能力和自供電潛力的MXene熱電織物。這種以織物為基材的可穿戴熱電器件,利用織物基材自身的柔韌性和透氣性,成功解決了人體穿著舒適性問題。而基于MXene材料設計的熱電織物在溫度傳感和應變傳感方面都表現出色,是連續數據收集和監控的理想選擇。這種MXene材料和與紡織技術相結合的能力,推動可穿戴智能織物的發展,使智能織物離實用更進一步,展示了在能量收集、運動跟蹤和健康監測方面具有廣闊的應用前景。




  該研究工作受到了滑鐵盧大學的高度關注和認可,滑鐵盧大學官方媒體對Yuning Li 教授進行了相關研究內容采訪,分別在滑鐵盧大學新聞官方網站Power up your health with self-sustaining electronics | Waterloo News | University of Waterloo (uwaterloo.ca) )和化學工程學院網站Breakthrough in smart fabric for sensing and health monitoring | Chemical Engineering | University of Waterloo (uwaterloo.ca) )進行報道。


1 MXene熱電織物的制備工藝和應用


  圖1展示了MXene熱電織物的制備過程、設計原理和潛在應用,可以觀察到MXene熱電織物不僅能夠收集電能。當MXene熱電織物與口罩進行貼合時,其能夠利用身體和環境之間的溫差將熱能轉化為電能,并準確地識別身體的呼吸狀態,同時,MXene熱電織物也可以通過自身的形變來監測身體關節的運動狀態。


2 MXene熱電織物輸出電壓測試裝置和熱電性能


  當MXene熱電織物的兩端分別與冷源(未加熱)和熱源(加熱)接觸時,兩端的溫差誘導電子從熱端流向冷端,迫使電子在MXene熱電織物冷端不斷積累,從而導致MXene熱電織物兩端的電壓差不斷增。熱電性能表征結果顯示MXene熱電織物的最高塞貝克系數達到-9.97 μVK-1具有良好的熱電循環穩定性(圖2。


3 MXene熱電織物的應變傳感性能


  MXene熱電織物不僅呈現良好的熱電性能,作為應變傳感織物,其也具有優異的應變傳感性能。如圖3所示,觀察到MXene熱電織物作為應變傳感器,最高靈敏度GF達到50.5,低檢測極限達到0.2%,以及30%的寬監測范圍,對于外界刺激具有快速的響應和恢復時間(60/80ms),超過了文獻中大多數報道的值,且在3200次拉伸釋放循環過程中呈現良好的應變傳感穩定性。


4 MXene熱電織物的熱電傳感陣列原理圖、觸覺響應和呼吸監測應用


  在熱電應用方面,MXene熱電織物能夠利用外界溫差實現能量收集,且具有優異的溫度傳感能力。通過將MXene熱電織物設計成熱電傳感陣列,不僅可以提高電能的收集,還可以作為觸覺識別系統,感知外界刺激的變化。此外,我們將熱電傳感陣列連接到口罩上,一端靠近呼吸區,另一端遠離呼吸區(4g),使熱電傳感陣列兩端溫度的存在差異,從而使輸出電壓隨呼吸模式的變化而改變,且準確識別身體的呼吸狀態,證明該熱電陣列具有監測呼吸狀態的能力(4h)。


5 MXene熱電織物對身體關節的運動監測


  MXene熱電織物作為應變傳感器,具有良好的靈敏度和監測范圍。通過自身的形變,MXene熱電織物可以準確識別喉關節、肘關節、腕關節運動,以及手臂肌肉顫抖,展示良好的運動監測能力,在人體運動監測中具有潛在的應用前景。
該研究工作以“MXene-based thermoelectric fabric integrated with temperature and strain sensing for health monitoring”為題發表在Journal of Materials Science & Technology期刊,通訊作者為江南大學紡織科學與工程學院王潮霞教授加拿大滑鐵盧大學化學工程系Yuning Li 教授,第一作者為江南大學20級博士研究生彭軍。該工作得到國家自然科學基金和中國留學基金委等項目資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.011


  滑鐵盧大學相關報道

  https://uwaterloo.ca/news/media/power-your-health-self-sustaining-electronics

  https://uwaterloo.ca/chemical-engineering/news/breakthrough-smart-fabric-sensing-and-health-monitoring

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(責任編輯:xu)
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