电子织物在智能可穿戴领域的研究进展

尹云雷，郭 成，杨红英，李 虹，王 政

(中原工学院, a.纺织学院；b.先进纺织装备技术省部共建协同创新中心，郑州 450007)

近年来，智能可穿戴电子设备的应用在人们的日常生活中越来越重要。智能可穿戴设备要求长时间接触皮肤，特别是在疫情大流行情况下，能够高精度地检测与慢性健康状况或传染病相关的物理、化学和电生理信号，理想中的智能可穿戴设备具有柔韧性、重量轻和易于与人的皮肤结合的特性[1-2]。然而，具有高性能的传统电子器件大多由体积大且刚性的无机材料制成，很难与人体皮肤贴合采集信号[3]。因此，智能可穿戴设备逐渐向柔性和小型化发展，以满足佩戴者的要求。纺织品具有良好的柔韧性、重量轻和透气性的优点，是智能可穿戴设备的理想前景之一。

电子织物(E-textiles)是一种将电子器件和纺织品相结合形成的“智能”纺织产品，能够感知人体与环境信号的变化，并通过反馈机制主动做出响应的一类新型织物[4]。随着科技的进步和生活水平的提高，人们对织物的功能性和智能化要求大大提高，促使织物向多功能和智能化方向发展[5-6]。电子织物也得益于电子信息技术的发展，使得运用电子元件的智能织物，成为智能可穿戴领域的焦点之一。尤其是近年来随着材料科学和纳米技术的进步，智能可穿戴设备将纺织品的柔韧性和优异的机械性能与电子元件的功能性和智能性相结合，吸引了大量学者的兴趣。电子织物在具有电子功能的同时，可以继承传统织物重量轻，柔韧性，透气性和一定程度的延展性的优点[7]。目前，织物型电子器件已被广泛研究并用于传感[8]、发光[9]、能量转换和能量存储[10]等方面。随着科技进一步发展，电子织物将来一定会与各种各样的产品整合在一起，赋予更多的功能。

电子织物尽管在智能可穿戴领域取得了巨大进展，但由于技术障碍，大多数报道的结果仍未在实际中应用。主要挑战来自柔性导电材料、制造技术、功能、数据安全性、测试方法和智能可穿戴技术标准等方面[11]。文章阐述了电子织物在智能可穿戴领域中的传感器、发光电子、能量转换和存储的最新进展，讨论了电子织物的挑战和未来的研究方向，以便在实践中进一步广泛研究使用电子织物提供参考。

1 织物传感器

传感器可以将外部刺激，例如机械变形、环境化学物质、温度或湿度的变化等信号转化为电子信号，以便获取相关信息。根据传感器工作机理的不同，传感器可分为物理传感器[12]、化学传感器[13]和电生理传感器[14]。与传统的传感器相比，织物传感器表现出更好的柔韧性、透气性、人体贴合性等特性，并且很容易集成在一起。在过去的十几年里，织物传感器不仅在概念和理论中得到了证实，而且在运动监测、健康监测和智能医疗的实际应用中也得到了证实。

1.1 物理传感器

当物理传感器受到机械变形或环境刺激时，他们的微观结构或固有的电导率会发生变化，这可以转化为电阻/电容或电压/电流的变化。传统的传感器贴合在人体上时都会在一定程度上降低触觉，导致测量结果出现偏差，无法真实反映皮肤的自然感觉。近年来，织物物理传感器被广泛研究，并因其在生理信号监测(如心率、血压和呼吸频率)中的应用而成为研发较为广泛的传感器。

随着先进材料和制造技术的发展，具有多功能传感能力的柔性传感器在智能可穿戴领域变得越来越有吸引力，将弹性基体与导电材料，例如石墨烯、碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)、金属/半导体和导电聚合物结合在一起已被广泛研究[15-16]。然而，这些传感器中的大多数由于其材料的刚性而造成低拉伸性、柔韧性和耐久性差等缺点。这增加了对能够检测各种机械引起的变形的可拉伸、灵活和高灵敏度传感器的需求。许慧等[17]以生物试剂肝素钠(Heparin, HS)分散的CNT墨水为“染液”，以纯棉针织物为基材，利用重复浸轧染色工艺将CNT墨水均匀印染到棉织物中，进一步利用粘附导电银胶的铜胶带在CNT棉针织物两端组装得到柔性织物应变传感器。该织物应变传感器在0～50%的应变条件下显示出良好的循环稳定性和回复性，且具有优异的生物相容性。Lim等[18]为了构建基于纺织品的压力传感器，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)纤维织物上通过气相聚合与不同浓度的氧化剂氯化铁(FeCl3)制备了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)薄膜，如图1(a)所示。PEDOT导电纺织品显示出导电性的变化，具体取决于施加的压力。从PEDOT导电纺织品经过洗涤和反复折叠测试后的稳定电性能证实了传感器的出色洗涤和物理耐用性。Khalili等[19]使用物理交联的聚乳酸(Polylactic acid, PLA)和热塑性聚氨酯(Thermoplastic polyurethane, TPU)混合物通过静电纺丝制成纳米纤维膜。PLA/TPU纤维重量轻，可达到100%的最大应变，同时保持其机械完整性。由于基材的形状记忆特性，TPU/PLA纤维拥有热活化恢复性。热活化恢复功能增强了传感器的性能，使得传感器不再受到塑性变形的限制。使用喷涂方法，将一层均匀的单壁碳纳米管沉积在纤维膜上，以诱导纤维表面的导电性。结果表明，拉伸和弯曲传感器会产生高灵敏度和线性响应。刘旭华等[20]以氨纶-丙纶弹性织物为柔性基底，通过浸没涂覆法，以银纳米线(Silver nanowires, AgNWs)和MXene共同制备出柔性应变传感器，如图1(b)所示。该应变传感器不仅具有较小的电阻值和较高的耐久性，而且通过将该传感器贴合于咽喉部测得的电阻信号显示，对4个不同单词的发音具有一定的区分度，并且在语音识别有着重要潜能。

Fan等[21]采用导电和尼龙纱线在全开衫针织中编织的摩擦电全织物传感器阵列，如图1(c)所示，用于表皮微弱的压力捕获。该传感器阵列表现出7.84 mV/Pa的高灵敏度、20 ms的快速响应时间、高达20 Hz的工作频率带宽和大于40次的机洗性。它可以直接整合到织物的不同部位(颈部、腕部、指尖和脚踝位置的脉搏波，以及腹部和胸部的呼吸波)用来收集人们活动的各种信号。Ma等[22]研发一种嵌入普通面罩中的纱线状湿度传感器，用于无线和无电池监测人体呼吸。采用自制的绕线装置，将双轴型绕线结构的纱线型湿度传感器在铜线上两次绕制，具有较高的表面积和异常截面的纱线作为电容介电层。特殊的表面结构使它们能够在表面上具有良好的水分子传输能力，并有助于纱线的毛细作用。

图1 织物物理传感器在智能可穿戴的应用

1.2 化学传感器

化学传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极，利用这种电极来测量溶液中的pH值或某些离子的浓度，如K+、Na+、Ca+等[23-24]。目前，化学传感器在智能可穿戴领域中最为常见，它具有高灵敏度、传感器小型化、无标记直接测量等优点。

一些制备电化学传感器的传统方法已经运用到智能可穿戴领域中。化学传感器检测具有活性分析物在氧化或还原过程中产生的电流大小。化学传感器已经用于持续检测乳酸、尿酸、葡萄糖等，借助特定的酶(如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶和尿素氧化酶)催化目标代谢物发生化学反应产生电流，通过产生的电流强度给出目标分析物的浓度[25-26]。Singh等[27]通过电化学沉积方法用氧化铜(CuO)/氧化石墨烯(Graphene oxide, rGO)修饰导电织物表面来测定抗坏血酸。由于rGO的独特性质与CuO的性质相结合所产生的协同效应，显示出对抗坏血酸氧化的高度电催化活性。电化学传感器在500～2000 μM的浓度范围内显示出宽线性响应，检测限为189.053 μM。还表现出良好的稳定性、重现性和特异性。该传感器与一系列其他可用的抗坏血酸盐传感器进行了比较，在分析性能方面具有可比性或优越性。Liu等[28]研发了一种独特的刺绣电化学传感器，如图2(a)所示，它能够使用原始生物流体样品进行定量分析测量。固定有酶探针的导电线是使用简单而坚固的制造工艺生成的，并用于在纺织品上制造灵活、机械坚固的电极。Clevenger等[13]为了在各种日常织物上实现均匀的PEDOT层，使用了氧化化学气相沉积技术。采用氧化化学气相沉积技术能够形成厚度可控的图案化聚合物薄膜，同时保持织物的固有优势。利用PEDOT的优越特性，通过在一次性手套和口罩上分别直接沉积和图案化PEDOT，如图2(b)所示，成功地制造了血压和呼吸率监测传感器。Su等[29]将白色棉织物编织成具有一对由导电纱线制成的平行电极的基板，然后在编织后的纺织基板上喷涂一种甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate, MMA)和[3-(甲基丙烯氨基)丙基]三甲基氯化铵((3-AcrylaMidopropyl)triMethylaMMoniuM Chloride, MAPTAC)形成(poly-MMA/MAPTAC)湿度传感薄膜。该织物湿度传感器具有非常高的可拉伸性、高柔韧性、宽工作范围、高灵敏度、可接受的线性度、低滞后、快速响应/恢复时间和相对稳定的长期稳定性。

化学传感器对于一些气体的反应比较敏感，化学传感器能够通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作，因此引起科研工作者的广大的关注。目前开发了多种类型的电子织物来检测气体，通常依靠石墨烯衍生物的化学电阻传感、碳纳米管，聚苯胺和金属有机半导体。然而，电子织物在气体传感中的可重复性仍需提高，因为由于化学物质与导电材料的不完全粘附和分离，他们的性能在几个传感周期后往往会急剧下降。

Lee等[30]研发了用于检测NO2的气敏电子织物，其使用由淀粉样蛋白纳米纤维涂有rGO的棉纱作为粘附促进剂。电子织物的rGO提供了丰富的活性位点作为电子受体来吸附NO2分子，从而使可检测到的电势增加。电子纺织品表现出高的电导率、响应时间、传感效率、灵敏度和检测限，这种高性能的气敏电子织物能够通过发光二极管对任何高浓度的NO2发出警报。Zhu等[31]通过喷墨打印rGO制造的所有纺织品基板上都适用的氢气(H2)传感器，如图2(c)所示。喷墨印刷工艺具有与各种基材的兼容性、非接触图案化能力和成本效益等优点。传感机制基于钯(Pd)纳米粒子对宽带隙rGO的催化作用，这使得非极性H2的吸附和解吸变得非常容易。由于织物基材的大表面积，石墨烯纺织气体传感器的传感响应比普通的气体传感器高约6倍。

图2 织物化学传感器在智能可穿戴的应用

1.3 电生理传感器

电生理信号，例如心电图(ECG)、肌电图(EMG)、和脑电图(EEG)，是人体消耗能量期间细胞膜中离子通道极化(即细胞极化)可测量生物电势差异的结果[32]。织物传感器可以以非侵入性方式在皮肤上获得电生理信号，以便在健康监测、运动监测、假肢和智能医疗等应用中提供信息。

ECG信号代表心脏的电活动，用于诊断心脏疾病，例如心房纤维性颤动、心绞痛和心律失常等心脏疾病。因此，通过持续监测心电图信号可以提高心脏病患者的治疗效果。传统电极是凝胶辅助的银(Ag)/氯化银(AgCl)湿电极。然而，由于凝胶的黏性或水分蒸发，传统电极在长期使用过程中可能会刺激皮肤或信号衰减。因此，在长期智能可穿戴应用中，通常使用可贴附皮肤的干电极。Yapici等[33]通过浸涂和热包覆的方法制备弹性带中的导电石墨烯包覆织物ECG传感器(尺寸为6 cm ×3 cm)。通过将一块普通的尼龙织物浸入 rGO悬浮液中制备基于纺织品的干电极，然后进行热处理并浸入碘化氢(HI)中将rGO还原成石墨烯，如图3(a)所示，从而进一步提高导电性。制作两种类型的可穿戴ECG设备腕带和颈带。腕带两侧包含两对记录电极，一侧有一个参考电极。相比之下，颈带在中间的同一侧包含所有电极。对于无线监控，腕带和颈带都连接到锂离子聚合物电池和无线通信模块。

骨骼肌的肌电电位活动的EMG信号，显示肌肉细胞的健康状况。分析EMG信号的模式有助于评估肌肉损伤或其康复过程。Jin等[34]研发了一种可直接在织物上进行丝网/模板印刷的可渗透黏性Ag墨水。该墨水可提供高拉伸性和低电阻。该墨水由含氟弹性体、丁基卡必醇乙酸酯(2-(2-Butoxyethoxy)ethyl acetate BCA)和平均尺寸为2～3 μm的Ag薄片组成。含氟聚合物为复合材料提供柔软性和可拉伸性，如图3(b)所示。由于BCA比丙酮具有更高的沸点和低蒸气压，因此Ag墨水对织物具有高度渗透性。研发者在紧身套袖上制作的EMG传感器进行了演示，并且使用热塑性TPU压封装起来，防止出汗和不必要的皮肤接触。为了解决这种柔性电子设备常见的集成挑战，Bihar等[35]通过由印刷PEDOT触点组成的腕带形式的织物将传感器连接到采集系统。虽然织物腕带贴合在传感器皮肤周围，但它可以与下面的电极可靠接触。这种织物电子平台能够在持续7 h的肌肉收缩期间监测手臂的二头肌活动，其性能可与传统的生物电势电极相媲美，而无需使用凝胶或昂贵的金属材料。

代表大脑电活动的EEG信号，不仅可用于评估癫痫事件、无反应的清醒状态、最低意识状态，甚至昏迷状态，而且EEG的信号采集可以为以后的人机交互、智能假肢和虚拟现实提供更大的帮助。然而，EEG信号的长期采集仍然相对具有挑战性。La等[36]通过将导电AgNPs/氟聚合物复合油墨直接渗透到织物形成的EEG感应电子织物，如图3(c)所示。渗透的油墨在织物的纳米纤维上形成包层，这有利于电子织物的机械和电气性能。为了进行测量，将传感器放置在耳后的皮肤上，获得的EEG信号，与商业凝胶电极相比，运动伪影更少。为了减少皮肤和不规则头部表面电极处阻抗的变化，Shu等[37]研发了一种多层多孔泡沫，用于记录织物中的电极，其中电极头皮的接触阻抗低于传统导电凝胶湿电极的接触阻抗。多孔泡沫还为脑电图传感提供了长期稳定性，在8 h内具有5 kΩ的微小阻抗变化，这与具有随时间变干的导电凝胶的传统记录电极相比非常有利。

图3 织物电生理传感器在智能可穿戴的应用

2 发光电子织物

作为一种功能性电子织物，发光电子织物也受到了广泛的关注，并在运输、安全、防伪、服装和航空方面发挥了重要作用。纤维形发光电子设备可以与纺织品无缝集成，从而可以在纺织品显示、传感和伪装中应用。

2.1 电致发光

电致发光通过发光材料夹在透明电极和凝胶电解质之间，在氧化还原反应过程中，在电极上施加电势时，可以根据不同的可见光区域吸收改变其光学性质。柔性电致发光织物的发光性能、机械性能以及耐用性能对其在智能可穿戴领域的应用潜力有决定性影响。具有电光功能的有源纤维是新兴和快速发展的纤维和纺织电子领域的有希望的基石。纤维状发光电子器件可以与织物无缝集成，实现织物显示、传感和伪装方面的应用。在这里，Jamali等[38]使用了灵活且坚固的导电芯CNT纤维和有机-无机发光复合层作为两个关键元素，研发了一种有源光纤设计，如图4(a)所示，可以通过全溶液处理方法来实现。并且已经实现了这项技术来演示具有同轴涂层设计的三层发光光纤。Shi等[39]制作了一种 6 m 长，25 cm宽的纺织品，如图4(b)所示，该纺织品包含5×105个电致发光单元，它们之间的间隔约为800 μm。编织的导电纬线和发光经线纤维在纬线—经线接触点形成微米级的电致发光单元。即使纺织品弯曲，拉伸或压缩时，电致发光单元之间的亮度偏差也小于8%，并保持稳定。该纺织品柔软而透气，可以承受反复的机洗，非常适合实际生产生活的应用。该纺织品不仅证明了由显示器，键盘和电源组成的集成纺织品系统可以用作通信工具，还证明了该纺织品在医疗保健在内的各个领域的“物联网”中的潜力。将纺织品的电子设备的制造和功能统一起来，并且期望编织纤维材料将塑造下一代电子产品。智能可穿戴电子设备和光电子学的结合不仅需要具有高度灵活性，而且可以编织成纺织品。Zhang等[40]研发了一种颜色可调、可编织的纤维状聚合物发光电化学电池(Polymer light-emitting electrochemical cell, PLEC)。纤维状PLEC的设计具有同轴结构，包括改性金属线阴极和导电排列的碳纳米管片阳极，电致发光聚合物层夹在它们之间。纤维状PLEC可以提供多种不同且可调的颜色，它重量轻，灵活且可穿戴，并且可以编织成发光织物，为发光电子织物的集成提供解决方案。

图4 织物电致发光在智能可穿戴的应用

2.2 光致发光

光致发光织物在外界环境刺激下发光中心发生电子跃迁而产生可见光的新型电子织物。由于传统电极材料硬度高，很难具有高柔软度。然而大面积超柔软发光技术可以用超轻织物电极实现。得益于其固有的高容错性，发光单元可与透明的聚合物基底很好地结合。在这里，Lanz等[41]研制出了可持续发出黄光的大面积织物，发光时间超过180 h。这种价格低廉、柔软且透明的纺织物在发光衣物、标志以及建筑装饰等领域有潜在的应用价值。并且该发光织物的制备工艺更加简单，通过在一个透明的织物电极中喷涂一层发光单元即可实现。织物电极由镀银铜线和聚合物纤维编织而成，铜线及聚合物纤维中均涂有导电油墨。Choi等[42]研发了一种具有较好的水蒸气透过率、高透明度、高曲率柔性、防水性能和接近室温的多功能封装工艺，如图5(a)所示，用来实现可靠、可折叠和可清洗的基于纺织物的有机发光二极管。该有机发光二极管在室外环境条件下显示出160 h的工作寿命。而且在半径为1.5 mm的拉伸弯曲1000次后仍保持了其光电特性和工作寿命。此外，即使在水中浸泡1440 min，该有机发光二极管也显示出不变的光电特性。Sha等[43]使用有效剥离技术将氮化镓(InGaN)/铟镓氮(GaN)与多量子阱(Multiple quantum well, MQW)薄膜转移到织物上。InGaN/GaN MQWs薄膜的物理特性通过原子力显微镜和高分辨率X射线衍射来表征，表明转移的薄膜不会受到巨大的损伤。在转移到织物上的薄膜中观察到优异的柔韧性，压电—光电效应增强了光致发光的强度，通过施加外部环境的刺激，薄膜曲率增加到6.25 mm，光致发光强度增加了约10%。Wu等[44]使用基于溶液的金属化在针织纺织品的开放式框架结构上涂覆金膜，如图5(b)所示，以形成高导电的金涂层透明电极，并且电导率在200%应变下变化率小于2。模版印刷防蜡剂可提供图案化的电极，用于图案化的发光。此外，结合软接触层压可生产出发光纺织品，该纺织品首次表现出易于改变的照明模式。

图5 织物光致发光在智能可穿戴的应用

3 能量转换与存储设备

为了确保可穿戴电子产品的可持续运行，开发可靠的智能可穿戴电源系统和能量管理设备非常重要[45]。作为可穿戴电子产品不可缺少的一部分，可穿戴能源设备可以分为两类：能量转换设备和储能设备。能量转换装置，如太阳能电池[46]、摩擦电纳米发电机[47]和热电发电机[48]，将其他形式的能量，如光、身体运动能量和热能，转换为电能。储能设备，如超级电容器[49]和金属离子电池[50]，可以储存电能，并为智能可穿戴电子设备供能[51]。

3.1 能量转换设备

机械和热能是普遍可用的，特别是来自外部环境和人体运动的。纤维形状的能量收集装置可以被编织成纱线或织物以构建大规模可穿戴电子系统，其可以从外部环境和人体运动收集能量给智能可穿戴电子设备供电。目前，主要有3种基于光伏、摩擦电、热电的能量采集装置，将在本节中讨论。

长期以来，太阳能一直被认为是解决当今世界能源危机的有效途径。Liu等[46]通过设计阴极和阳极纤维的交错结构，如图6(a)所示，首次使用工业织机实现了适用规模的纳米级有机光伏纺织品。这种新颖的结构成功地将器件制造、纺织品编织和电路连接全部集成在一个模块中，使用工业织机的方法显著提高了有机光伏纺织品的性能并促进了其商业化。Song等[52]制备了高柔性的二硫化钼(MoS2)/碳化钛(TiC)/碳(C)纳米纤维薄膜，并将其用作柔性染料敏化太阳能的无Pt和无透明导电氧化物。然后将导电氧化物与织物结合形成光伏纺织品。

摩擦电是指一种材料通过与另一种材料接触或摩擦而带电的现象。借助接触带电和静电感应的耦合作用，摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)可以将分布广泛但始终被忽略的机械能转化为电能。Cheng等[47]研发了一种自熄的阻燃纺织品摩擦电纳米发电机，该发电机既具有出色的能量转换能力，又具有防火功能。阻燃棉织物是其重要组成部分，它是通过简单有效的层层自组装方法，结合磷氮(聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine, PEI)和三聚氰胺(Melamine, MEL)作为阳离子聚电解质溶液，植酸(Phytic acid, PA)作为阴离子电解质溶液)，系统地研究了溶液浓度和沉积时间的影响。由于其出色的性能，还被用作自供电的能量转换装置，以点亮穿戴在消防员制服上的警告LED以及森林定位传感器，即使在火灾中也能传输各种信号。基于织物的TENG的开发因其耐磨性以及从人体运动中清除能量以可持续地为可穿戴功能电子设备提供动力的能力而受到广泛关注。然而，同时提供高输出功率、连续大规模制造能力、易于与服装制造工艺相结合、可洗性和用户穿着舒适的特性的挑战仍然存在。在这里，Huang等[53]设计和制造TENG纺织品的方法，如图6(b)所示，导电镀银的布料和与层压尼龙线结合，就实现了独立式TENG纺织品。TENG纺织品可以从人体运动中转换各种类型的能量，能够点亮LED，并且可以为智能手表供电。

柔性热电发电机(Thermal electric generator, TEG)可以利用人体热量转换为电能，TEG可以与人体皮肤进行保形接触，充分利用人体热能，将能量损失降至最低，同时佩戴舒适。在这里，Wu等[48]研究设计了一种3D织物TEG结构。通过使用3D织物作为基材和涂有热电材料的纱线，可以实现可穿戴且灵活的TEG。所设计的发生器具有夹层结构，类似于经典的无机发生器，允许在织物厚度方向产生温差，从而使其具有可穿戴性，并在体热转换中显示出广阔的应用前景。Kim等[54]制造了具有不同设备参数的柔性TEG，并使用人工手臂评估了TEG的发电性能，该人工手臂经过精心设计以模仿真实的人类手臂，展示了TEG设备参数在各种情况下对发电性能的影响。湿气发电作为一种新兴的新能源收集技术，是提供可再生和清洁电力的最佳选择。Sun等[55]通过引入活性顶部电极开发了一种基于湿气发电机(MEG)的离子梯度增强型聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN)/聚苯乙烯磺酸(Polystyrene sulfonic acid, PSSA)PAN/PSSA纳米纤维织物，如图6(c)所示。电纺纳米纤维织物和多孔活性电极组成的离子梯度增强型MEG为同时解决瞬时和低电输出提供了完美的解决方案。组装后的MEG可以产生1.1 V的持续电压输出40000 s，没有任何弱迹象，达到所有报告的MEG中的最高水平。

图6 织物能量转换在智能可穿戴的应用

3.2 能量储能设备

随着智能可穿戴电子设备的不断扩大，各种形式的柔性储能设备越来越受到人们的关注。其中，基于织物的超级电容器和金属离子电池，显示出优异的灵活性、延展性、便携性和变形适应性，非常适用于智能可穿戴电子设备的供能。

适用于智能可穿戴电子设备的柔性可拉伸超级电容器处于智能纺织品新兴领域的前沿。在这种情况下，Lee等[56]研发了一种由碳纤维组成的柔性智能纤维超级电容器，该碳纤维既可用作电极，也可用作集电器。此外，凝胶电解质用于离子转移和电极分离，该超级电容器表现出强大的储能性能。Lima等[49]研发了一种超级电容器，该超级电容器能够使用佩戴者的汗水作为电解质。内电极和外电极由导电聚合物聚吡咯(Polypyrrole, PPY)功能化的碳基线组成，可提高超级电容器的电化学性能。内电极涂有醋酸纤维素(Cellulose acetate, CA)纤维，作为隔膜，外电极缠绕在它周围。提高了该电容器的循环稳定性。Wei等[57]选用柔软导电的不锈钢丝作为基材和集电体，如图7(a)所示，所获得的基于氧化镍钴的纱线状电极具有超薄二维纳米片分层阵列并且在导电不锈钢纱线基底上无黏合剂贴合，表现出更高的比电容和更好的循环稳定性。

与超级电容器相比，金属离子电池具有高能量密度和高工作电压的优点。金属离子电池可以编织在纺织品中，作为可穿戴织物的电源的解决方案之一，为未来的智能可穿戴电子设备提供便捷的供电方式。锌离子电池(ZIB)具有各种氧化锰基阴极，为基于织物的柔性储能设备提供了一种解决方案。Xiao等[50]研发了一种高性能锌(Zn)/二氧化锰(MnO2)纤维电池，如图7(b)所示，该电池使用石墨烯嵌入聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)水凝胶电解质中，通过石墨烯和ZnSO4/MnSO4盐析的协同作用。其循环性能稳定超过500 h，同时在超过1000次充电循环后仍保持98.0%的容量。Yong等[58]研发了一种柔性水性ZIB，其锰基阴极在单一的编织聚酯棉纺织品中制造。该纺织品被功能化为柔性聚合物膜层，膜层填充在纺织纱线之间的间隙，从而能够精细控制喷雾沉积的氧化锰阴极和锌阳极的渗透深度。这在纺织聚合物网络中留下了一个未涂覆的区域，该区域充当电池的隔膜。将电池用含水电解质真空浸渍，使电极与电解质具有良好的润湿性。

图7 织物能量存储在智能可穿戴的应用

4 结 语

电子织物在智能可穿戴具有巨大的潜力，并且已成为智能可穿戴领域最有前景的分支之一。本文从电子织物的传感器、发光电子、能量转换和存储回顾了电子织物的最新进展。尽管已经证明了电子织物在功能多样性方面的巨大成就，但仍然存在阻碍电子织物的实际应用挑战。

首先，与传统的器件相比，电子织物表现出相对较差的性能。尽管已经报道了各种方法增强电子织物的性能，例如引入更多的导电材料或设计器件结构，以增强电子织物的性能，但尚未真正实现他们的电性能和机械性能之间的平衡。此外，电子织物的循环稳定性和可洗性也需要提高。其次，为了充分实现电子织物在商业应用中的潜力，必须进行技术革新来大规模生产电子织物，同时还要确保电子织物的性能满足实际应用的要求。目前电子织物主要以实验室规模手工编织成，为了促进大规模制造，有必要开发新的高效的机织技术，以实现开放式制造电子纺织品。最后，由于目前缺乏统一的技术和测试标准，很难比较电子织物的性能。电子织物的参数计算方法在不同的报告中不一致，因此很难在不同的功能甚至相同的功能之间进行比较。此外，评估电子织物的弯曲，拉伸和扭曲的能力是智能可穿戴设备柔韧性的重要属性，但是到目前为止还没有统一的评估标准。

综上所述，电子织物作为一种新型的智能纺织品，在智能穿戴领域具有巨大的潜力。未来，具有独特结构和各种功能的集成特性的电子织物有望融入人们的生活中，不仅可以满足日常穿着的需求，还可以服务于个性化健康监测、运动监测、智能医疗和人机界面的新兴领域。尽管电子织物在各个方面取得了巨大的进展，但仍然存在许多挑战。可以相信，在不同领域研究人员的不断努力下，电子织物的设计、功能和性能将得到进一步提高，从而推动电子织物在智能可穿戴领域的进一步发展，走向光明的未来。