智能可穿戴织物：令人脑洞大开的未来科技

李召岭

发电织物

发电织物是一种可以将周围环境的机械能、太阳能、热释能等能量转化为电能的织物。依据机械能收集机理，可以分为摩擦电式发电织物和压电式发电织物。研究人员通过涂层、刻蚀和改性等工艺对纳米纤维膜进行表面处理，并制备高性能可穿戴摩擦电织物，可以极大提升其电输出性能和力学稳定性。在轻拍面积为16cm的织物时，短路电流和电压分别为110μA和540 V，最大能量密度为14.8W/m。该柔性发电织物在人体运动中收集生物机械能，可以做成发电鞋垫和发电衣服，提供可靠稳定的供能保障，驱动电子手表、温度计等电子器件正常工作，并点亮约560盏LED灯，如图1所示。

图1 发电织物及其实际应用

当人体在进行生物机械运动时，不可避免地会产生大量的汗液，特别是在剧烈运动或天气炎热的情况下。然而，人体表面湿度的增加会对发电织物的电输出性能产生明显的负面影响。因此，研究人员又制备出一种耐湿抗汗的发电织物，通过表面化学修饰，提高摩擦层的表面疏水性，以消除水蒸气对输出电流的不利影响，提高了发电织物对于环境湿度的适应能力。即使是在流汗的情况下，依旧可以高效收集人体运动产生的生物机械能，并驱动可穿戴电子设备正常工作。

随着人们对于可穿戴器件的供能需求愈发迫切，发电织物由于具备轻质便携、结构灵活、制造简单、成本低廉、可穿性好、供能稳定等优点，受到人们的广泛关注。但是发电织物目前仍然存在一些缺陷，如电路中阻抗大、输出功率密度小，难以用于大功率设备的有效连续供电。由于人体运动的随机性，人体与织物的摩擦力度与接触角度存在不可避免的不确定差异，使得发电织物的输出功率不稳定。此外，发热织物的电输出多为交流电，不利于微型化应用。因此，应当开发高效的发电模型，改善接触摩擦的界面，选择恰当的摩擦层、介质材料，增加输出电流密度，增强其电输出的稳定性。加大新型能源供应配套系统的研究力度，积极推动发电织物商业化的应用进展。

发热织物

随着全球极端天气和气候事件频繁发生，发热织物的出现可以很好地保障在极端条件下特殊作业人员的工作，如极地勘探人员、冷库工作者、特种兵等。电致发热纺织品在微弱电能下可持续主动提供热源，能够广泛应用于保暖服装、户外装备、地面供暖和医疗护具等领域。研究人员在发热织物领域取得了令人瞩目的成果，利用两层涤纶织物作为外层，嵌入不同远红外辐射纳米颗粒的碳纳米纤维作为夹层，制备高性能远红外辐射加热织物。碳纳米纤维和红外辐射纳米颗粒的永久自发极化可以产生额外的电场来增强发热产品中的电流，有效地改善了碳纳米纤维膜的远红外性能，从而产生快速的电热响应和良好的保温效果。该远红外辐射发热织物具有良好的热稳定性、优异的柔韧性和透气性，优异的导电性和能量转换效率，为开发智能加热纺织品和可穿戴加热服装开辟了新的机遇。

同时，利用多巴胺仿生修饰碳微米纤维，也可以构筑远红外辐射发热织物，能够提高碳纤维表面的界面活性，并利用远红外纳米颗粒掺杂改性碳纤维，提高碳纤维的电热转换效率。在10 V的施加电压下，发热织物可以在10 min内从室温迅速升温到60℃左右。该远红外辐射发热织物具有安全性高、温度可控、热稳定性好、电热转化效率高等优异的电热性能，可广泛用于个体保暖、医疗器械、可穿戴柔性电子等领域。

发热织物的技术已经发展的较为成熟，其热稳定性好，电热转化效率高，安全性均较高，穿着的热湿舒适性也较好。电加热织物通过对人体的主动加热，可以对触觉温度进行动态调节，能够有效降低服装的厚度和质量，提高人体的活动自由度，在生物医用、临床医疗、个体保暖、智能可穿戴等领域拥有广阔的发展空间。但是发热织物仍存在诸多不足，如发热不均匀，温度精准调控较差，且为实现轻量化，其电源的设计朝微型化方向发展，而目前的微型化电源电压低，持续时间短，存在极端寒冷的情况下加热功率不足等问题。

传感织物

皮肤是人体最大的器官，能够感受温度、湿度、压力以及外界复杂的刺激。为了模仿人体皮肤的触感，柔性传感织物应运而生，其可以感知并对环境刺激做出相应的响应。由于其可实时检测各种生理信号，从而有效地进行健康状况监测和疾病预防，因此可穿戴传感织物已经在生物医学领域获得了广泛的关注。依据传感织物检测信号的不同，可以分为压力传感织物、温度传感织物、湿度传感织物、汗液传感织物等。为模拟皮肤对于外界压力的感知，科研人员提出了一种自供电全纤维结构的压力传感织物，具有优异的拉伸性、可呼吸性、机械稳定性、防水透湿性与压力传感性能。当织物的拉伸变形达到50%时，其传感性能和机械稳定性也未受到明显影响。在0～175 kPa传感范围内，其灵敏度可达0.18 V/kPa，如图2所示。该传感织物能够适应于包括人体皮肤在内的各种非平面表面，可用于不同目标的触觉感知和空间映射，在运动传感、人机交互、智能机器人和智能假肢等领域具有潜在的应用价值。

图2 压力传感织物及其实际应用

为了模拟皮肤对于外界温度变化的感知，研究人员开发了柔性温度传感织物，其测量精度高，极易操作，方便灵活并兼顾生物相容性。该温度传感织物可以与皮肤表面紧密贴合，具有体积小、透气性好、成本低、精度高等优势，能够保持其原有的柔软性和易变形性，通过检测温度信号将其转换成电信号，如图3。其灵敏度可达0.381%/℃，从室温变化至40℃、60℃、80℃时的响应时间分别为15.6 s、16 s和16.2 s，在可折叠电子、航空动力学、机器人传感系统和生物仿真技术等特殊应用场景中有着重要的应用前景。

图3 温度传感织物及其实际应用

目前，传感织物在脉搏和血压监测、血糖和肌电监测、人体运动姿态监测、呼吸强度监测以及汗液成分分析等应用领域具有广阔的应用前景。智能传感织物提供了薄膜传感器无法实现的可呼吸性和舒适性，但是其传感灵敏度、稳定性、水洗性与柔弹性等方面还需要进一步提高。此外，低成本、大规模制备也是在实际应用中面临的最大挑战。

吸波织物

电磁辐射污染成为继水污染、空气污染、噪音污染之后的第四大污染，电磁辐射不仅干扰各种电子设备的正常运行，威胁通信设备的信息安全，而且对人类的身体健康造成潜在危害。因此治理电磁污染，开发能够抵挡并削弱电磁波辐射的吸波材料已经成为当前的研究热点。研究人员采用静电纺丝和煅烧相结合的方法制备了一种多孔、轻质的碳纳米纤维基吸波织物。由于其独特的多孔结构和引入的磁性颗粒组分，该复合织物表现出高效的吸波能力。碳纳米纤维膜的钴、铁纳米粒子有利于膜的导电性，并通过在膜内创建金属-金属交叉点来减少接触损失。引入的磁性颗粒组分能够改进复合纤维膜的介电常数和磁导率，以提高其电磁波吸收性能，在2～18 GHz频率范围内最大屏蔽效能可达43.60 dB。该碳纳米纤维基吸波织物为新型电磁波吸收材料的设计提供了一种有效的策略，可在较宽的频率范围内进行电磁屏蔽（见图4）。

图4 吸波织物及其实际应用

现有电磁屏蔽材料普遍存在手感硬质、屏蔽频率范围窄、屏蔽效能提升困难、功能单一的问题，难以满足现代社会对轻质、舒适、高效、多功能电磁防护材料的迫切需求。高强度、高导电、耐高温的吸波织物为宽频带、多波段电磁屏蔽提供了新的机遇，从根本上实现了电磁屏蔽材料“薄、轻、宽、高”的发展目标。未来可通过微纳结构设计、多组分复合、材料性能改进等方面实现吸波织物的电磁屏蔽阻抗匹配，通过磁-电耦合效应改善低频和高频电磁损耗效能，拓宽电磁响应波段，进一步提高电磁屏蔽性能。

当前，智能可穿戴织物面临重要的发展机遇，也面临诸多的问题与技术挑战。智能可穿戴织物既要具备电子器件的电子特性，又要具备普通织物的可穿戴性能。然而目前由于技术水平还不够成熟，难以完美平衡两者之间的关系。当电性能优异时，其柔弹性、舒适性、水洗性以及耐疲劳性都有待提高，反之亦然。智能可穿戴织物不可避免地受到外力作用，产生弯曲、磨损、拉伸等各种形变，因此需要电子设备具备良好的抗外力作用，以保证其运行的稳定性。当然，可洗性与耐洗性也非常重要，早期智能纺织品的电子器件是可拆卸的，可在清洗时将其取出。近些年的智能纺织品主要依靠防水封装来保护敏感的电子器件在洗涤时不被损坏。此外，智能可穿戴织物领域还缺乏相应的技术标准与测试方法，没有形成完整的产业链。如今在基础研究领域，智能可穿戴织物已经成为研究的热点领域，也取得了许多很有显示度的成果。在纤维和织物层次上实现智能传感器件或织物电路的技术已经日趋成熟，并逐步向商业化和市场化推进。