柔性電磁“發電衣”

近些年，物聯網技術和人工智能技術日益成熟，智能可穿戴設備正在快速地發展。并且，它們被廣泛應用于醫療健康、智能家居、通信等領域，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、質量大、體積大等問題，柔性可穿戴式能源采集方式受到了極大地關注。

服裝作為人體的第二層皮膚，具有極好的可穿戴舒適性，是能源器件極好的物理載體以及理想的可穿戴設備集成平臺。如果利用服裝收集人體日常行為中產生的生物機械能，便可解決可穿戴設備長期運行的電池容量問題，促進可穿戴電子持續性發展。

近日，華中科技大學蘇彬教授、陶光明教授，中國香港理工大學陶肖明教授，武漢紡織大學徐衛林教授團隊多學科交叉合作，研發了一款高性能柔性發電衣。

它將傳統的硬磁鐵做成了柔性紗線，能夠實現磁體的柔性織物化。不僅能夠有效控制成本，實現了磁性織物制備的初步小試生產，還實現了超高的峰值輸出功率密度。本發電衣所用的磁性紗線及其織物與紡織加工技術兼容，可大規模批量生產。

相關論文以《用于從生物機械能到電能的高性能轉換的磁電發電衣》為題發表。

該發電衣通過手臂擺動來實現為可穿戴電子設備“充電”，論文中展示了該技術為一些智能電子產品進行供電，如LED燈、計算器、無線通信和健康監測設備等。此外，鑒于磁性織物具有很強的環境適應性，其可以在極端環境下為我們的求生設備，如呼救機等，進行緊急供電。

陶光明教授解釋道：“人們在日常生活中行走或奔跑時，通常會進行擺臂等行為動作，這存在大量的生物機械能資源。由此，我們想到是否可以將這些浪費掉的機械能資源收集起來，為柔性可穿戴電子設備進行供電，這樣便可解決可穿戴設備長期運行的電池容量問題。”

具備超強柔韌性，自供電、水下及極端環境下安全工作

柔性可穿戴電子設備是未來人機交互的發展方向，柔性可穿戴式能源采集受到了極大地關注。該團隊的研究初衷是將人體產生的機械能加以收集利用，為可穿戴電子設備進行供電。并且，他們希望磁性織物能夠柔性化，能夠和服裝一樣穿在身上，與柔性可穿戴器件相結合，解決其供電問題，這將極大地拓展柔性可穿戴器件的應用場景，促進可穿戴電子持續性發展。

在以往的研究中，電磁能量收集策略主要面臨3個方面的挑戰：

磁性材料很難做到全柔性。在以往的研究中，科研人員大多使用磁鐵來進行能量收集，比如，常見的手搖發電機等設備，這類設備質量大、比較硬、無法使用在衣物上;

傳統磁電能量收集針對的是高頻機械能的收集，對于人體低頻的機械能無法有效回收;

人的日常行為中存在大量的生物機械能資源，如何通過磁性服裝收集這類機械能是在電磁能量收集策略面臨的最主要的挑戰。

該發電衣的峰值輸出功率密度可以達到3197mW/ m ? ，主要有兩方面原因：一方面，磁電的發電效率很高，磁電被廣泛應用于水力發電站、風力發電站、核電站等領域中; 另一方面，該團隊制備的磁性織物中的磁含量很高（80wt.%），磁含量越高，織物的磁性就會越強，從而獲得更高的輸出功率密度。

不僅如此，這種磁性織物還可以在水下工作，并且不受影響。

第一，該磁性織物采用顆粒流紡紗來制備連續磁性紗線，磁顆粒被緊緊地鎖在紗線內部，形成芯套結構的釹鐵硼磁紗，保證其在水下工作的可靠性;

第二，該團隊通過最常見的工業織布機制備磁性織物，能夠達到工業級別的標準;

第三，磁性織物不會受到浸水的影響，而線圈部分我們使用漆包線，能夠完全與外界絕緣，所以保障了這種磁性織物在水下能夠正常工作。

“正如我們在論文中展示的實驗結果，即便是經過水洗，我們的發電衣仍然能夠保證其可靠性。”陶光明教授說。

在安全性方面， 該團隊主要考慮從材料、磁性織物的磁場強度、用電安全三方面綜合考慮，并找到恰當的處理方案。

“我們的磁性織物使用釹鐵硼和常見的紡織高分子材料作為原材料，這些材料都是無毒無害的，不會對人體造成任何傷害。”蘇彬教授說。

他補充說道：“我們將磁性織物固定在手臂內側，所制備的衣服為外套。并且隨著距離的增加，磁性織物的磁場強度會顯著下降，這可以保證我們的磁性織物的磁場對人體無害。”

此外，在用電安全性方面，該團隊使用漆包線作為線圈部分， 以保證不漏電。并且，研究人員對磁性織物與線圈都進行了水洗和高低溫等試驗，能保證其可靠性。

材料科學-電磁學-紡織工程的跨領域多學科協同創新，推進多行業協同發展

柔性電磁發電衣將材料科學、電磁學和紡織工程技術結合，旨在將人類的日常行為動作所產生的機械能轉化為電子服裝所需要的電能，解決電子服裝持續供電的問題，促進可穿戴電子領域的可持續發展，是具有代表性的多學科協同創新的科研進展。