纳米技术给智能穿戴插上腾飞的翅膀

■ 文/任 明 明 月 杨 赢 陈雨竹 陈 韦

纳米技术的引入使得智能穿戴器件原有性能得到强化，甚至增加了新的功能。

电影《少数派报告》剧照

智能穿戴方兴未艾

顾名思义，智能穿戴是一类具有智能化设计及结构的可穿戴产品。与传统的穿戴产品相比，智能穿戴集成了化学、物理、微电子等学科知识，能够对机械、热、化学、电、磁等环境的刺激做出响应，从而具备传统保暖、装饰之外的感应、监测等功能。从智能手环到智能服装，从电子皮肤到人工肌肉，智能穿戴广泛应用于休闲娱乐、运动检测、医疗监控、机器人仿生等领域，由于其独特的功能和炫酷的科技既视感而广受追捧。

从本质上讲，智能穿戴器件可分为可穿戴能源器件、可穿戴传感器和可穿戴驱动器三大领域。

可穿戴能源器件，即将柔性电极材料、柔性介电材料或电解质材料组装成超级电容器或者电池，为电子产品提供电能驱动。由于制备材料是柔性的，最终得到的能源器件也是柔性的，同时具有良好的防水性，可以多次洗涤，并且在水下操作都不会影响性能，这进一步增大了其与织物集成的可行性。2012年，美国佐治亚理工学院的王中林院士首次提出了摩擦纳米发电机（TENG）概念。之后，摩擦纳米发电机迅速成为炙手可热的可穿戴能源器件，其利用电负性不同的柔性可拉伸材料，将摩擦生电和静电引力耦合，把人体运动的机械能转化成电能，对手机、电子手表等进行充电。除TENG外，香港理工大学陶肖明教授团队对可穿戴热电纤维材料进行了深入研究，这种热电纤维材料制备的器件可以直接为可穿戴或移动电子系统供电。

可穿戴传感器可以直接贴附人体皮肤或者集成到服装上，对外界环境的特定气体、湿度、温度、力、溶液中特定溶质等刺激进行响应，进而对环境气体、人体的运动姿势、生理信号（如脉搏、体温、血糖和汗液等）等进行监测以及语音手势识别。将其应用在机器人或者义肢上，可以使机器人或肢体缺失者获得响应环境刺激的功能。因此，可穿戴传感器强化或新增了我们感知世界的能力。美国斯坦福大学鲍哲楠教授课题组对此领域进行了深入研究，他们制备的有机场效应晶体管（OFET）阵列又称电子皮肤，具有高度灵敏的触觉感应性，可以分辨出放置在阵列上的小瓢虫腿的位置，甚至当质量为20毫克的蓝蝇落在阵列上，它也能“感觉”得到。另外，他们借助光遗传学，成功地将接触刺激通过电子皮肤传递到小鼠的大脑切片，这意味着人们向真正的“有感觉”又迈出了坚实的一步。

可穿戴驱动器即人工肌肉，是将其他形式的能量转化为机械能的器件。根据驱动能量的种类不同主要可以分为电驱动器、光驱动器、热驱动器等，其中电驱动研究较为广泛。人工肌肉材料主要有压电陶瓷、介电弹性体、形状记忆合金以及电活性聚合物（EAP）。其中，电活性聚合物因组成结构简单、柔韧性好、在空气中可以产生稳定的大变形，是目前人工肌肉领域研究的热门材料。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所及香港理工大学陈韦教授课题组在仿生离子聚合物驱动器、光驱动等领域进行了广泛深入的研究。特别是在离子型驱动器领域，通过对多孔柔性纳米碳电极与离子电解质层互嵌结构设计，对电极材料原位活化以及使用新型碳材料石墨炔，制备了一系列能够在安全低压（＜5伏）内稳定大变形的可穿戴驱动器件。同时，我们还提出并验证了一种新型分子驱动机制——石墨炔烯互变效应，该机制完全不同于传统的电容驱动机制，突破了力电转换的瓶颈，能量密度与哺乳动物生物肌肉能量密度相当。新型人工肌肉智能材料等成果得到了国际同行高度关注，在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）、《先进材料》（Advanced Materials）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《ACS纳米》（ACS Nano）等发表SCI论文100余篇，研究成果被《科学》《自然通讯》《自然亚洲材料》等重点评述报道。

纳米技术助力智能穿戴发展

作为一种新兴技术，纳米技术近年来得到了蓬勃发展。纳米材料由于其表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特性而被广泛应用。将纳米技术与智能穿戴有机结合，将产生许多有趣的现象。

柔韧性、可拉伸性和电学性能是智能穿戴产品的主要特性，为了使智能穿戴产品同时具有良好的柔韧性和优异的电学性能，导电高分子和纳米材料是首选。但是，有些导电高分子的弹性较差，可以通过在共轭高分子中进行纳米晶增强，获得具有高弹性的纳米复合高分子材料。除导电高分子外，绝缘高分子和纳米导电材料的复合也是获得高性能智能穿戴材料的一种方法。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的可拉

伸性，在两PDMS层中间涂敷银纳米线，形成“夹心饼干”结构，可以得到摩擦纳米发电机；还有科研人员将金属纳米粒子与高分子溶液混合制备复合纳米导电墨水，用于微电路或电极打印。除金属纳米线和纳米粒子外，碳纳米材料由于其良好的电学、力学、电化学、大比表面积、多孔结构等特性，也备受研究人员青睐，其中碳纳米管（CNT）和“新材料之王”石墨烯（Graphene）作为智能穿戴器件的电极材料被广为研究。

可见，纳米结构和智能穿戴的结合可以强化已有性能甚至产生新的功能，将会是一个非常有趣的研究方向。智能穿戴纳米技术，作为新兴领域和热点课题，正引起国内外科研人员的广泛关注。以碳纳米管和石墨烯为主的新型纳米碳材料，除具有优越的力学、电学和热学性能之外，还展现出独特的能量转换特性，如将电能、光能、热能等直接转换为机械能等。近10年来，基于纳米碳的智能材料研究受到国际高度关注。我们研究团队致力于发展高性能仿生传感驱动智能材料，开展碳基柔性驱动新材料设计、微观结构和性能控制，以及功能原型器件构筑与应用等方面的研究，取得了一系列重要进展。接下来，我们分别针对穿戴能源、穿戴传感及穿戴驱动等方面的成果进行介绍。

离子智能穿戴器件是基于仿生原理，即通过离子运动产生电学和力学的响应，其中电极的微观结构对器件性能起到至关重要的作用，我们在纳米电极领域做了大量的研究工作。为了实现可穿戴器件的产品化，其供能部件也需要柔性化和高性能化，因此，高性能的柔性储能器件将越来越显示出其潜在的市场价值。在柔性储能器件方面，我们在碳纳米管表面原位生长一层金属-有机骨架材料（MOF）结构，得到一种兼具大比表面积和力学柔韧性的“糖葫芦串”形貌的MOF多孔碳电极材料（如图a所示）。从结构设计上看，碳纳米管不仅提高了材料导电性，而且赋予了材料连续性与柔韧性；另一方面，MOF结构起到吸附容纳离子的作用。该结构电极组装成的柔性薄膜超级电容器在变形之后，性能保持良好并且运行稳定，在可穿戴设备供能领域具有重要的应用价值。

当石墨烯和碳纳米管等材料无序堆积时，其大的接触电阻会使材料的电学性能下降。我们将碳纳米管当作智能间隔物，将石墨烯片层分隔开来，增大了离子积累空间并为离子传输提供通道，同时碳纳米管起到了电子传输以及机械结合的桥接作用，具有力、电学性能稳定的三维网络结构。我们还设计了垂直定向排列的碳纳米管电极，设计有序的纳米通道使离子由传统的长程跨膜传输变成近电极界面处的短程扩散过程（如图b所示），发展了以此为电极的新型无源力学传感器件，可实现复杂大形变稳定性、无源自驱动以及方位识别等优异特性，并成功开发出了智能手套上用于脉搏生理指标检测、手语识别、盲文识别等应用。

在柔性驱动器件方面，我们设计制备了新型碳氮二维纳米片电极材料，并成功构筑了具有快速大应变响应的电化学驱动器。如图c(1)所示，利用含碳前驱体与碳氮前驱体合成氮掺杂的类石墨烯二维材料，并和碳纳米管混合，碳纳米管与碳氮纳米片结合形成多孔的带状网络结构。正是由于该电极特有的微孔尺寸、分布以及与离子液体强相互作用，电极内部离子的嵌入嵌出表现出优异的电化学应变特性。基于以上性能，我们成功实现了扑翼飞行、线性运动、蛇形爬行等多自由度运动形式仿生驱动材料的设计。另外，通过对石墨炔材料的电化学驱动器的研究，我们发现石墨炔材料在驱动时会产生石墨炔烯炔互变，基于可逆配位转换效应引起的材料结构变化，如图c(2)所示。这种电极不仅表现出优异的电化学储能特性，同时也表现出优异的电-机械能量转换能力。

综上所述，纳米技术的引入使智能穿戴器件原有性能得到强化或者增加了新的功能。纳米技术给智能穿戴插上了腾飞的翅膀。

挑战与展望

虽然智能穿戴发展快速，在人工智能领域开花结果，但是目前其发展的道路并非一帆风顺，仍然存在一些急需解决的问题。首先，智能穿戴产品在服役过程中会经历多次机械变形，机械稳定性是面临的问题。通过将功能材料制备成纤维进而纺织成织物的“无缝集成”是提高稳定性的一个有效方法。其次，智能穿戴产品感知外界刺激的能力以及对刺激响应的强度仍然不高，如可穿戴传感器在低压范围内的灵敏度不高、人工肌肉对外输出的力不大，解决这些问题仍然是未来发展的方向。第三，人的皮肤和肌肉在受到损伤之后能够愈合，智能穿戴产品在穿戴过程中难免会受到损伤，这缩短了产品的使用寿命，损伤之后的自愈合性，能使电子皮肤和人工肌肉更接近真实。此外，绝大多数可穿戴器件都需要外界提供能量以驱动其运行，而器件和电源之间的连接线则严重限制了其应用，发展无源自供电可穿戴器件则可以很好地解决这一窘境。

当前，智能穿戴产品对外界刺激的感知以及对刺激的响应都与人的主观意念没有太多关系，即可穿戴产品感受到外界刺激后自行对外做出响应。那么，在可穿戴产品感受到刺激信号和做出响应信号中间是否能设计一个受主观意念控制的中枢控制中心呢？这样能让人通过主观想法决定信号的传输（类似于人体神经系统中的信号传递）。如果这一天真的到来，孙悟空控制金箍棒的场景就会被搬到现实生活中来，影视中的奇异服装便不再科幻。