用可穿戴設備收集能源的有趣方式

非常規紡織業雖已穩固發展50余年，但用紡織物收集能量領域尚處方興未艾，所以該領域商業化還未達到可精細量化的程度，用纖維材料來收集與儲存能量的技術尚未成熟，可穿戴設備也是如此。然而，這一融合技術卻蘊藏著巨大的發展潛力，這不僅是因為用身上穿的衣物可自動收集能源，而且還是因為可解決諸多實際問題。

“雙交叉”技術與人口增長和能源需求

該新興領域收集能源的潛力雖然還不能與現有的初級或次級能源需求相提并論，但這對傳統紡織產業的復蘇和發展有著重大意義。在紡織科學界，新興領域的出現為多學科協作研究提供了數不勝數的機會。

瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員發現，只需做一點新的小調整，便能使有機電子產品的效能提高一倍。有機發光二極管顯示器、塑料太陽能電池以及生物電子產品也都能從其自身的新發現中獲益，而上述發明的相似之處就在于，都涉及到“雙交叉”的聚合物技術。該理念由安德烈亞斯·達林副教授提出，即用于提升可彎曲電子紙的變換速率。

全球人口增長和能源需求越來越大，這是影響人們對可穿戴設備和能量收集柔性材料需求及其發展的兩大主要因素。聯合國提供的數據顯示，到2050年，全球人口預計將達到97億。印度人口會在2030年超越中國，成為世界第一人口大國。屆時人們對食物和燃料的需求會大大增加，這將為汽車與紡織業結合的行業提供發展基礎與方向，也促進紡織業在推出顛覆性發明的同時繼續穩步推進。

據經合組織估計，全球仍有20%的人口無電可用。這凸顯出對基礎設施建設和研究進行投資的需要，然而這項投資總額可能高達46萬億美元。隨著人口的增長，在2050年能源消耗將上升80%。而柔性聚合物和紡織物的“雙交叉”技術在緩解化石能源壓力上做出應有的貢獻。

可穿戴設備與能源收集

在能源需求量巨大的科技發達國家，其實驗室如美國國家可再生能源實驗室都有扎實的研究基礎，作為能源生態系統，它有利于開展“關乎使命”的研究，以開發具有成本效益和適用性的能量收集裝置。有趣的是，現有的能源消耗兩大來源仍然是石油（占比37%）與天然氣（占比31%），而此類自然資源十分有限。數據有力地表明，高級紡織品在提高能源需求和促進能源需求多樣化方面蘊含著巨大的潛力。

世界大國都迫切需要對其棉纖維產業和紡織品產業進行多樣化改革。美國種植的80%棉花都出口到別國，而在貿易過程中出現的插曲，如中美貿易戰又或使印度紡紗產能過剩，導致其棉紗出口呈低迷態勢，因此帶來的連鎖反應迫使紡織服裝工業部門度日如年。

“雙交叉”技術可改進柔性有機太陽能蓄電池的光能收集效率。該蓄電池由埃匹斯光能公司（Epishine AB）提供。一般來說，人們將電子晶片、集成電路芯片或功能化學制劑這類配備有功能組件的柔性纖維紡織物稱之為可穿戴紡織科技設備。因此通過將身體熱量或外部能源轉換為機械力和熱力，從而形成可生成或收集和儲存能量的紡織結構被歸類為“可穿戴設備”。

可穿戴設備行業處于方興未艾時期，或許目前還無法取得有效的量化數據。但這些產品被歸到了囊括更廣的“智能紡織品”領域。眾多市場研究機構的調查表明，到2025年，全球這一領域的產值有望達到1000億美元。

紡織品早期在儲能領域的成功源于無紡電池隔膜的研發。將陰陽兩極分離并允許離子自由流動的玻璃纖維基無紡布便是一個很好的例子。電池隔膜為無紡布開辟了一大廣闊市場。據霍林斯沃思公司稱，隔膜所使用的材料（如人造纖維和有機纖維或玻璃纖維混合物）取決于其所適用的電池類型（如鉛酸或鋰離子）。

電子嵌入式紡織品為時尚設計師與紡織設計師們提供了許多大顯身手的機會。寶琳·范東恩推出了“太陽能派克大衣”，即利用將太陽光線轉化為電能的原理，可在兩個小時內為智能手機充滿電。為進一步發展電子嵌入式紡織品，設計師與終端用戶業界進行著不懈的努力。

早在20年前，美國佐治亞理工學院教授桑德里森·加亞拉曼將計算機概念與紡織品相結合，研發出“智能襯衫”，這是世界上第一批可穿戴主板及紡織品行業中最早涉足柔性可穿戴設備概念研究的產品。經過這些年的發展，該設備早已進化成為可水洗且耐用的可穿戴設備。

從人體運動中采集能源的新型材料

世界上有4種柔性聚偏氟乙烯聚合膜，因其具有柔性而被制作成運動服，據稱這種面料穿在身上人均可形成112.2毫瓦的電能并將其儲存至穿戴式超級電容織品內。壓電材料外形對稱，由數個晶體元件組成。該材料遇機械變動（彎曲）時，其內晶胞失衡，進而產生表面電荷。若將電荷從該類材料的表面移除，就必須將其再次折彎最終形成交差電荷。反向壓電以相同方法通過電流使其內晶胞失衡，即能實現這一目標。

聚偏氟乙烯是所有聚合物中壓電特性最強的物質。它是一種含有線性聚合物鏈[CF2—CH2]的熱塑性氟聚合物，通常由熔融紡絲或溶液紡絲制成，并可加工為纖維和薄膜。聚偏氟乙烯具有生物適應性和高度的耐化學性。但其單體內存在的兩類負電性氟使其兼具鐵電、熱釋電、壓電性能。在聚偏氟乙烯的四類相中，只有顯示壓電特性的β相通常是由α相經冷卻或電場轉化而來。為測量電容器的電壓以及產生的電流，將柔性聚偏氟乙烯聚合膜以各種角度（10, 40, 55, 70）在不同頻率（1赫茲，1.5赫茲， 2赫茲，2.5赫茲）之下彎折。數據需在受控環境下，免受聲音、氣流、水珠及觸碰的干擾，因為以上因素均會影響聚偏氟乙烯的振動。

聚偏氟乙烯薄膜觸感柔軟，且僅需使用簡易的高粘性密封劑，便可輕松置入紡織品內，故最宜用于收集人體運動能量。該物質抗腐蝕性強，可抵抗近乎所有化學物質（例如酸和堿）的腐蝕，且響應時間短于100次/秒。它實際上可減緩產品老化，能承受100萬次0～200千帕的壓力循環。該物質還具有熱電性，在周圍溫度變化時會釋放電量，極適合應用于各類環境。除此之外，聚偏氟乙烯在彎力作用下面積就越小，條帶長度就越短，其產生的電流反而越強。該特性恰好使聚偏氟乙烯適合應用于人體，并且不會造成人體不適。

薄膜與紡織物拼貼而成的橫截面光學圖像表明，可通過高粘性密封劑以肩帶、間隔織物等各種形式將聚偏氟乙烯附于或融入紡織物。就運動服整體拼接而言，需采用可更好維持服裝質量與舒適度的技術，并輔以密封劑，對其各部分進行拼接，但因縫制工藝可能有損成衣的質量。此外，熱粘合技術也會改變聚偏氟乙烯的性能。現已證實，聚偏氟乙烯薄膜可在人體行走時產生的肩關節彎曲、膝關節與肘關節的運動中產生平均112.2毫瓦的電能，這遠高于如今能產生40毫瓦電能的背包式疊層懸臂（功率為16微瓦）與壓電陶瓷懸臂（功率為10微瓦）的常規產品。

多樣化研發助推紡織與能源技術融合

美國紡織化學師與印染師協會（AATCC）在制定可穿戴電子紡織品標準方面發揮著重要的作用。這使該行業未來能開發出具有確定質量基準的新型可穿戴設備，從而為中小型企業提供新機會。

人們希望紡織品能夠既實用又耐洗，相應的對策便是將功能電子元件縮小，因此該需求可促進紡織品納米系統的開發。早在2005年，美國佐治亞理工學院王中林教授提出“納米自供電系統”的概念，即納米可從外界發電為電池充電。他通過構造雜交細胞的方式對其進行深入闡述，這一概念使利用太陽能、化學和機械方式收集能量變為可能。近日，美國普渡大學研究人員利用化學方法，在紡織品中嵌入摩擦發電機，研發出自供電電子紡織品，這類紡織品由于添加了氟化配方而具有疏水性。

使用生物分子（如蛋白質）以研發可耦合于紡織物之上的能量收集設備也已成為大勢所趨。近日，美國得州A&M大學研究人員研發出一種電極，其使用的合成材料就由炭黑和多肽制成。

20年來，可穿戴設備從使用大型電子組件到納米發電機，已走過了一段征程。而最近科學家正設想在可穿戴設備中應用生物技術。在紡織產業領域嘗試上述研發有利于促進該行業向縱深發展，同時以電子設備與基因重組技術研發可穿戴能量收集器將縮短可穿戴設備和用服裝收集電能的智能化研發進程。

從行業角度來看，紡織材料應用于前沿領域的方面越來越多，它不僅改善著人們的生活，還拯救了環境，因此這就意味著，用紡織品收集能源具有廣闊的發展前景。

（據美國高級紡織資源網https://advancedtextilessource.com/2019/08/26/textiles-and-energy-technologies-for-the-future/與孟加拉國《今日紡織》https://www.textiletoday.com.bd/energy-harvesting-human-body-movement-walking-integratingpiezoelectric-pvdf-film-garment/近期資料）