自供電紡織基柔性應(yīng)變傳感器研究進(jìn)展

房翔敏, 曲麗君, 田明偉

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,青島 266071)

傳感器是一種能感受和收集外界信息,將外界刺激按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)輸出的裝置,是智能可穿戴產(chǎn)品具備感知、傳遞功能的核心元件[1]。目前已廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域的傳感器多由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體等剛性材料制備而成,但是其較大的剛性和質(zhì)量限制了使用范圍,無法貼合在復(fù)雜的人體表面;同時(shí),有源化供電也造成了使用不便[2]。

為了解決以上問題,兼具柔性和從環(huán)境中吸收能量自供體產(chǎn)生電信號(hào)能力的傳感器開始逐漸興起。將先進(jìn)的納米發(fā)電機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的紡織工藝、紡織材料相結(jié)合,形成了一種新型的智能紡織品,即基于紡織結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機(jī)[3]。納米發(fā)電機(jī)可以很容易地設(shè)計(jì)或集成到纖維、紗線和織物等紡織材料中,賦予自供電電信號(hào)能力。同時(shí),紡織材料具有柔性、機(jī)械穩(wěn)定性好、成本低、能夠大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。紡織基納米發(fā)電機(jī)的逐漸興起進(jìn)而催生了紡織基柔性自供電傳感器,不僅具有良好的柔性,且具有從外界環(huán)境進(jìn)行能量采集實(shí)現(xiàn)自供能的能力,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器的不足,這種智能器件的出現(xiàn)必將促進(jìn)未來可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展。基于紡織材料的自供電傳感器將成為實(shí)現(xiàn)快捷方便采集人體運(yùn)動(dòng)能量的重要平臺(tái),它不受能量供應(yīng)的限制,可以用于復(fù)雜的外界工作條件,系統(tǒng)可以正常連續(xù)運(yùn)行而不中斷。柔性紡織基傳感器通常附著在活動(dòng)范圍較大的部位,如人體的肘部、膝部等,可以進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別和運(yùn)動(dòng)跟蹤、壓力檢測和觸覺傳感,多應(yīng)用在電子皮膚、仿生機(jī)器人及人機(jī)交互等領(lǐng)域。

本文綜述了近年來國內(nèi)外柔性紡織基自供電傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展,聚焦紡織材料和紡織結(jié)構(gòu)的使用,以自供電原理和紡織品結(jié)構(gòu)為分類依據(jù),分別介紹了摩擦電型[4]、壓電型[5]、熱電型[6]紡織基自供電傳感器的工作原理、材料選擇、制備方法,并對(duì)其在電子皮膚、醫(yī)療檢測、運(yùn)動(dòng)防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行概述。

1 紡織基自供電傳感器工作原理

在紡織基柔性自供電傳感器領(lǐng)域,現(xiàn)有的紡織基柔性傳感器主要有三種自供電方式:摩擦電型、壓電型和熱電型。

1.1 摩擦電型紡織基傳感器自供電原理

摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)的工作原理主要是利用摩擦電效應(yīng)和靜電感應(yīng)的耦合作用[4]。摩擦電效應(yīng)是兩種不同摩擦電序的材料接觸摩擦后,兩者表面上帶等量異性電荷的現(xiàn)象。如圖1所示,一個(gè)循環(huán)的發(fā)電過程對(duì)應(yīng)于在上下導(dǎo)電織物層和介電織物層之間發(fā)生的接觸分離運(yùn)動(dòng)。開始階段,由于不存在電勢差而不產(chǎn)生電荷變化。當(dāng)上下織物層相互接觸,在臨界面上會(huì)產(chǎn)生相同數(shù)量的極性相反的電荷(圖1(a))。當(dāng)兩者開始分離時(shí),靜電感應(yīng)使得正電荷和負(fù)電荷分別在底部和頂部的織物電極上感應(yīng)(圖1(b))。兩者之間電位差的積累產(chǎn)生電子移動(dòng),形成瞬時(shí)電流。織物層完全分離時(shí),正電荷和負(fù)電荷達(dá)到完全平衡(圖1(c))。兩織物層彼此接近,累積的感應(yīng)電荷通過外部負(fù)載回流,以補(bǔ)償電位差(圖1(d))。目前,摩擦電型傳感器可按照工作模式分為四類[5]:接觸分離式(CS)、橫向摩擦式(LS)、單電極式(SE)和獨(dú)立式(FM),如圖2所示。不同的工作模式可以滿足不同場景的應(yīng)用需求。

圖2 TENG的四種工作模式Fig.2 Four working modes of TENG

1.2 壓電型紡織基傳感器自供電原理

壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)是通過材料的壓電效應(yīng)采集外界納米尺度機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能的裝置。壓電型自供電傳感器主要基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓[7]。壓電效應(yīng)是指壓電材料受到外界應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生相反的等量分離電荷,電荷在材料兩端的累積下形成電偶極子[8]。陽離子相對(duì)于陰離子的相對(duì)位移導(dǎo)致壓電勢或壓電勢的形成。圖3展示了壓電織物在按壓和釋放運(yùn)動(dòng)中的完整發(fā)電過程[4]。在初始狀態(tài)下,壓電材料內(nèi)部不能觀察到極化(圖3(a))。當(dāng)施加壓力時(shí),壓電織物的變形產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變,電荷中心分離形成電偶極子,電偶極矩發(fā)生變化,在電極之間形成壓電勢。如果電極與外部負(fù)載相連,壓電勢將驅(qū)動(dòng)電子流過外部電路,以部分屏蔽壓電勢并達(dá)到新的平衡狀態(tài)(圖3(b)),機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電織物電極完全接觸時(shí),以最高的極化密度達(dá)到最大的壓制狀態(tài)(圖3(c))。當(dāng)外力釋放時(shí),電子會(huì)回流,重新平衡短路條件下應(yīng)變釋放引起的電荷(圖3(d))。

圖3 織物PENG工作機(jī)制Fig.3 Working mechanism of fabric PENG

1.3 熱電型紡織基傳感器自供電原理

熱電型傳感器的工作原理主要是基于塞貝克效應(yīng)[9]。塞貝克效應(yīng)指在溫度梯度下載流子從熱端流向冷端從而形成電動(dòng)勢差的現(xiàn)象,溫度梯度差越大,塞貝克效應(yīng)越明顯。如圖4[6]所示。塞貝克系數(shù)S是衡量熱電效應(yīng)強(qiáng)弱的主要物理參數(shù),定義式為:

(1)

式中:ΔT為溫度差,℃;ΔV為溫差電動(dòng)勢,mV;S為塞貝克系數(shù),μV/K。

熱電型柔性自供電傳感器在受到溫度刺激時(shí),就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào),從而起到自供電傳感的目的[10]。

圖4 熱電型傳感器自供電原理Fig.4 Self-powered principle diagram of thermoelectric sensor

2 自供電紡織基傳感器傳感材料選擇

柔性紡織基傳感器主要由導(dǎo)電電極、傳感材料和柔性襯底三個(gè)部分組成。傳感器性能的決定性影響因素是材料選擇。其中,紡織品本身具有良好的柔性,能很好地貼合人體和其他復(fù)雜表面以實(shí)現(xiàn)柔性復(fù)合;電極具有導(dǎo)出電荷的功能,本身材料選擇不影響傳感器的性能,常見有銀線、銅線等材料;對(duì)傳感器性能影響最大的就是傳感材料的選擇。上述三種傳感器的傳感材料因其自供電原理不同而不同。

2.1 摩擦電型紡織基自供電傳感器傳感材料選擇

根據(jù)自供電原理,傳感器摩擦層材料的摩擦極性對(duì)傳感器的最終電輸出性能有著重要影響。摩擦電材料的接觸面面積越大(摩擦層表面越粗糙),電荷轉(zhuǎn)移量越高,傳感器的電輸出性能越強(qiáng);兩種摩擦層材料對(duì)正負(fù)電荷親和力相差越遠(yuǎn),傳感器的電輸出性能越強(qiáng)[11]。因此,摩擦電型紡織基自供電傳感器的材料主要基于兩種摩擦層材料的得失電子能力強(qiáng)弱。Zou等[12]研發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)測量方法定量測量材料的摩擦起電特性,并詳細(xì)測量了眾多常用材料的這一特性,首次測定摩擦靜電材料序列表,該表表征了材料摩擦起電的能力,為摩擦電型傳感器的材料選擇提供了一定依據(jù),如圖5所示。

建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)不僅是關(guān)系黨的使命宗旨的重大政治問題，也是關(guān)系民生的重大社會(huì)問題。市紀(jì)委、監(jiān)委始終牢記政治機(jī)關(guān)屬性，自覺把服務(wù)保障污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)作為踐行“兩個(gè)維護(hù)”的具體行動(dòng)，作為必須擔(dān)負(fù)的重大政治責(zé)任，不斷深化認(rèn)識(shí)、提高站位。

圖5 摩擦靜電序列Fig.5 Ttriboelectric series

因?yàn)榫酆衔锊牧显谀Σ领o電序列表上的摩擦后得電子(帶負(fù)電荷)的能力較強(qiáng)且相同面積下摩擦電荷密度更高,常見的摩擦型紡織基自供電傳感器的負(fù)摩擦層傳感材料多為聚合物材料,例如聚偏氟乙烯(PVDF)[13]、聚氟乙烯(PVF)[14]、聚四氟乙烯(PTFE)[15]、聚二甲基硅氧烷(PDMS)[16]等。而人造纖維、金屬材料(例如導(dǎo)電銀纖維等)因?yàn)槟Σ梁髱д姾赡芰^強(qiáng),通常被用作正摩擦層材料使用,如表1所示。

表1 常見摩擦電材料Tab.1 Common triboelectric materials

2.2 壓電型紡織基自供電傳感器材料選擇

常用的壓電材料一般有無機(jī)壓電材料、壓電聚合物及壓電復(fù)合材料三類。壓電聚合物的壓電系數(shù)較低,但比無機(jī)材料和復(fù)合材料具有更好的柔性,因此紡織基壓電傳感器常用的材料主要是壓電有機(jī)聚合物,例如聚酰胺11(PA-11)[17]、聚丙烯(PP)[18]、聚偏氟乙烯(PVDF)[19]及其聚合物等。其中,PVDF具有良好的壓電靈敏度,五種晶相中β相使得PVDF壓電性能最好,因此在制備中需要經(jīng)過極化處理提高β相的含量[20]。

最早出現(xiàn)的纖維基PENG是通過涂覆法將ZnO NWs附著到Kevlar纖維,與導(dǎo)電Au纖維纏繞制得的[21]。但是早期通過簡單的表面處理制備的壓電型紡織基自供電傳感器的壓電材料和外覆電極在機(jī)械刺激下容易被破壞。因此,為了提高紡織基PENG傳感器長期的工作穩(wěn)定性,研究人員采用了化學(xué)聚合,外加保護(hù)層、雜化材料等方法提高其機(jī)械性能[22]。此外,這些方法還存在加工步驟復(fù)雜的缺陷。熔融紡絲具有一次性成型、成型質(zhì)量高、生產(chǎn)速度快等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛用于制備纖維狀壓電聚合物[20]。M.B.Kechiche等[23]采用熔融紡絲制備壓電纖維,并將其集成到紡織品中作為壓力傳感器。

2.3 熱電型紡織基自供電傳感器材料選擇

傳統(tǒng)的非紡織基熱電型T-TEGs主要由無機(jī)材料制備[24],如Bi2Te3、PbTe3和CoSb3[25],并已被深入研究,但其柔性和透氣性限制了在智能可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。紡織基熱電傳感器不僅具有良好的柔性,還具有耐磨性、透氣性。除了傳統(tǒng)材料外,紡織基熱電傳感器常用的材料有CNT、PEDOT及其衍生物等有機(jī)材料。以紡織品的結(jié)構(gòu)為分類,本文總結(jié)近年來熱電型紡織基自供電傳感器的常用材料,如表2所示。例如,ZHANG等[26]將兩個(gè)p型Bi0.5Sb1.5Te3纖維和兩個(gè)n型Bi2Te2.7Se0.3纖維組裝到銅電極上,構(gòu)建了1D T-TEGs,當(dāng)溫差為12 K時(shí),其最大輸出功率為18 nW。

表2 紡織基熱電傳感器材料現(xiàn)狀Tab.2 Current situation of thermoelectric textile-based sensor materials

3 紡織基自供電傳感器的結(jié)構(gòu)與制備工藝

按照紡織品結(jié)構(gòu),可將紡織基自供電傳感器分為一維紗線基(1D)、二維織物基(2D)、三維立體復(fù)合織物(3D)等三類。1D的紡織基傳感器是具有一維結(jié)構(gòu)的紗線/長絲/纖維基傳感器。1D的自供電傳感器的體積小,柔性、變形性較好,但是由于工作面積和數(shù)量的限制,其電輸出性能相對(duì)較低。利用紡織技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將多個(gè)1D紡織基自供電傳感器組合成2D或3D織物基自供電傳感器,可以提高整體的電輸出性能,彌補(bǔ)了1D傳感器結(jié)構(gòu)上的不足,拓寬了紡織基自供電傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 一維紗線基自供電傳感器

紗線基自供電傳感器一般可以通過紡絲紡紗技術(shù)或簡單的溶液涂覆方法制備,形態(tài)可分為纖維膜、長絲、紗線等,此外也可以通過3D打印等技術(shù)制備紗線基自供電傳感器。紡絲技術(shù)主要包括濕法紡絲、靜電紡絲及熔融紡絲,常用的制備自供電紗線傳感器的紡紗技術(shù)主要為包芯紡紗,即直接在芯層紗外加捻、纏繞或編織一層傳感紗線材料得到具有芯-鞘結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)紗線。

圖6 制備紗線基自供電傳感器的方法Fig.6 Various methods for preparing yarn-based self-powered sensors

3.2 二維平面織物基自供電傳感器

由于數(shù)量有限且有效面積小,基于單根纖維紗線自供電傳感器的電輸出相對(duì)較低。為了提高整體的電輸出,一種解決方法是使用各種紡織成型技術(shù)將多個(gè)自供電纖維組合成二維或三維織物。二維平面織物基自供電傳感器常用的制備方法有縫合編織法、機(jī)織、針織等方法。縫合編織法即將一維的紗線基自供電傳感器通過縫合或編織的方法固定到柔性織物襯底上,自供電紗線作為傳感陣列,但是本身不能形成完整的織物平面。機(jī)織是將自供電紗線在織機(jī)上進(jìn)行經(jīng)緯向互相交織后形成機(jī)織物的工藝。針織是在織機(jī)上織針把自供電紗線先形成線圈再經(jīng)串套連接成針織物的工藝,有緯編和經(jīng)編兩種成圈模式。針織面料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是線圈可以很容易地向不同方向拉伸,比其他類型的織物具有更大的彈性。此外,也可以采用涂層法將傳感材料涂覆到非織造布基底上,獲得織物基自供電傳感器。由自供電紗線集成的織物基自供電傳感器具有更大的有效工作面積,電輸出性能得到大幅提高。同時(shí),織物基自供電傳感器可以更好地貼合各種復(fù)雜表面,適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng),并用于各種運(yùn)動(dòng)場景檢測。

Lu等[41](圖7)將具有60.82 mV/N的高靈敏度靜電紡絲PENG纖維縫合到成針織物上,穿戴在人體的腕部、腳跟、肘部、膝部,從不同的信號(hào)波形可以識(shí)別出人體各部位不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)檢測。東華大學(xué)的Dong等[15]將尼龍紗線和PTFE紗線分別包纏銀紗線制備成具有芯-鞘結(jié)構(gòu)的包芯紗,再將兩種包芯紗制成雙層復(fù)合針織物。北京大學(xué)的Zhao等[42](圖8)將TENG紗線通過針織、機(jī)織技術(shù)分別集成了機(jī)織物、針織物,并探索了織物結(jié)構(gòu)與傳感器關(guān)鍵特性之間的關(guān)系,制作了帶有縫合壓力傳感器的智能紡織手套,實(shí)現(xiàn)了在各種情況下的握持姿勢檢測傳感。Zhang等[43]通過涂層法制備了一種蠕蟲狀的柔性TEG非織造布,在10 ℃的溫差下產(chǎn)生0.512 mV的電壓,并應(yīng)用于柔性自供電傳感器。

(a)集成在紡織品中的壓電纖維;(b)佩戴在手腕、腳部、肘部和膝蓋處的智能壓電織物;(c)手腕在高頻和低頻運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的輸出電壓;(d)腳踩下產(chǎn)生的輸出電壓;(e)肘部彎曲下產(chǎn)生的輸出電壓;(f)膝蓋彎曲下產(chǎn)生的輸出電壓;(g)壓電織物的四種基本工作模式;(h)四種工作模式對(duì)應(yīng)的直接測量電壓信號(hào)圖7 壓電型織物自供電傳感器Fig.7 Self-powered sensor of piezoelectric fabrics

(a)Cu-PAN紗線和聚對(duì)二甲苯-Cu-PAN紗線的示意圖;(b)纏繞在管子上的Cu-PAN紗線;(c)1 mm和(d)50 μm比例尺的Cu-PAN紗線的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(e)包裹在管上的聚對(duì)二甲苯-Cu-PAN紗線;(h)縫合制造的紡織基壓力傳感器;(i)編織制造的紡織基壓力傳感器;(j)針織制造的紡織基壓力傳感器;(k)不同紡織結(jié)構(gòu)的空氣阻力測試;(l)不同紡織結(jié)構(gòu)的水蒸氣透過測試圖8 織物基自供電傳感器Fig.8 Fabric-based self-powered sensor

3.3 三維立體織物基自供電傳感器

二維平面織物成型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,易于制備,與現(xiàn)有的紡織加工技術(shù)兼容,因此被廣泛應(yīng)用于智能紡織品的設(shè)計(jì)。對(duì)于PENG和TENG而言,由于厚度方向結(jié)構(gòu)尺寸的限制,傳統(tǒng)二維平面織物的功率輸出仍然很低。為了進(jìn)一步提高自供電紡織品的輸出性能,3D紡織品結(jié)構(gòu)逐漸被使用。與2D結(jié)構(gòu)相比,由于單位面積的自供電纖維數(shù)量增加,3D織物結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有的2D織物結(jié)構(gòu)具有顯著更高的能量收集效率。此外3D織物還具有結(jié)構(gòu)完整性、尺寸穩(wěn)定性、高保護(hù)性和保暖性等優(yōu)勢,因此廣泛被應(yīng)用于鞋墊、床墊、汽車座椅、壓力傳感器、地毯等。例如,Ma等[44](圖9)制備了一種基于阻燃包芯紗的三維蜂窩狀機(jī)織物TENGs,該立體織物采用的紗線為TENG包芯紗,采用連續(xù)空心錠花式捻線機(jī)生產(chǎn)。3D F-TENGs作為自供電的逃生和救援地毯使用,可以收集人類行走能量,能夠精確定位幸存者的位置并指出逃生路線,在火災(zāi)救援及智能家居裝飾等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。Navneet等[19]將壓電PVDF單絲作為間隔紗互連在用作頂部和底部電極的涂有銀(Ag)的聚酰胺復(fù)絲層之間,形成間隔織物,3D織物結(jié)構(gòu)可提供1.10～5.10 μW/cm2的輸出功率密度,與2D壓電織物結(jié)構(gòu)相比,功率輸出和效率顯著提高。Wu等[45]將p型WPU/PEDOT:PSS/CNT涂層聚酯紗線和n型WPU/N摻雜CNT涂層聚酯紗線制成3D間隔織物以制造T-TEG,p型和n型TEG紗線通過在紗線環(huán)的頂部和底部銀電極進(jìn)行串聯(lián)電連接,可作為柔性織物傳感器。

(a)3D F-TENG地毯的制造過程示意圖;(b)3D-F-TENG智能地毯示意圖,具有阻燃、精準(zhǔn)救援定位、實(shí)時(shí)路線引導(dǎo)、降噪四大功能;(c)3D F-TENG實(shí)物圖圖9 3D-TENG地毯Fig.9 Schematic diagram of 3D-TENG smart carpets

4 應(yīng) 用

紡織基自供電傳感器因?yàn)榫哂袩o源化、柔性、透氣性、舒適性、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,紡織基自供電傳感器在電子皮膚領(lǐng)域、醫(yī)療健康檢測領(lǐng)域的應(yīng)用尤為突出,此外在人機(jī)交互、智能家裝、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。

4.1 電子皮膚

皮膚是人體的重要器官,除了保護(hù)和覆蓋人體外,皮膚接受外界刺激并幫助人體與外界相互作用。模擬人體皮膚接受和反饋的功能的智能電子設(shè)備稱為電子皮膚,其在可穿戴領(lǐng)域、醫(yī)療健康檢測和人工智能等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,是當(dāng)前備受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。為了模擬人類皮膚,在將傳感器連接到人體的同時(shí),保證不間斷的能量供應(yīng)和穿戴舒適性至關(guān)重要。

Jiang等[46](圖10)采用靜電紡絲技術(shù),使用銀納米線(AgNWs)和熱塑性聚氨酯(TPU)制備了一種可拉伸、可清洗的摩擦納米發(fā)電機(jī)SI-TENG,用于電子皮膚的高靈敏度自供電觸覺傳感器。在外加應(yīng)力為8 N、與人體皮膚的接觸面積為2 cm×2 cm的測試條件下時(shí),SI-TENG的開路電壓可達(dá)95 V,短路電流為0.3 μA,功率密度為6 mW/m2。Zhou等[47]通過多層熱塑性聚氨酯(TPU)/銀納米線(AgNWs)還原氧化石墨烯(rGO)制造了基于超可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)(STENG)的柔性自供電電子皮膚。其具有出色的穩(wěn)定性和高拉伸性,接觸面積為2 cm×2 cm,具有202.4 V的開路電壓和6 mW/m2的瞬時(shí)功率密度,同時(shí)具有很高的靈敏度(78.4 V/kPa)和對(duì)壓力的快速響應(yīng)時(shí)間(1.4 ms)。

(a)SI-TENG結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖;(b)PDMS表面的SEM圖像;(c)TPU/AgNWs層的SEM圖像;(d)整個(gè)裝置的橫截面SEM圖像;(e)高度透明的SI-TENG的光學(xué)圖像;(f)(g)附著在皮膚上的SI-TENG的光學(xué)圖像;(h)～(j)SI-TENG扭曲和拉伸的光學(xué)圖像圖10 SI-TENG制備與結(jié)構(gòu)Fig.10 Preparation and structure of SI-TENG

4.2 醫(yī)療健康檢測

Zhu等[48]使用PEDOT:PSS和PZT復(fù)合材料制備了一種智能棉襪,其中PEDOT:PSS編織而成的摩擦織物在人體的運(yùn)動(dòng)中通過摩擦產(chǎn)生電信號(hào)。PZT具有良好的壓電型,被放置在腳后跟處。PZT壓電基在人體的壓力下可以產(chǎn)生電信號(hào),壓電和摩擦電的信號(hào)耦合使其信號(hào)檢測更精確。Meng等[49](圖11)制備了一種柔性編織結(jié)構(gòu)的自供電壓力傳感器(WCSPS),用于無創(chuàng)測量脈搏波和血壓,WCSPS的靈敏度為45.7 V/kPa,其具有小于5 ms的響應(yīng)時(shí)間,在40 000次的運(yùn)動(dòng)循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的傳感性能。

圖11 柔性編織自供電壓力傳感器Fig.11 Flexible braided self-powered pressure sensor

4.3 人機(jī)交互、智能家裝、軟體機(jī)器人等

Gao等[50]以鍍銀尼龍紗為芯,絕緣棉纖維為殼,實(shí)現(xiàn)了一種具有芯-鞘結(jié)構(gòu)、良好柔韌性和耐洗性的包芯紗CSCY-TENG,其可以固定在關(guān)節(jié)處,實(shí)時(shí)監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)佩戴者突然跌倒時(shí),可通過信號(hào)檢測觸發(fā)手機(jī)報(bào)警,如圖12。CSCY-TENG還可集成防盜地毯,當(dāng)有竊賊走過地毯時(shí),地毯收集其行走能量,產(chǎn)生的自供電信號(hào)觸發(fā)手機(jī)報(bào)警。Guan等[35]通過3D打印方法來制備具有同軸芯-鞘結(jié)構(gòu)的可拉伸彈性纖維,該結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電芯和絕緣護(hù)套組成。基于摩擦電效應(yīng)的芯鞘彈性纖維實(shí)現(xiàn)觸覺傳感功能,由其集成的智能紡織品具有耐洗性、透氣性、超拉伸性和堅(jiān)固性等優(yōu)點(diǎn),可以作為觸覺傳感器安裝在機(jī)器人假體上。

(a)防盜報(bào)警地毯示意圖;(b)在不同的光環(huán)境下點(diǎn)亮200個(gè)LED;(c)可穿戴和可持續(xù)能量收集鞋的示意圖圖12 人機(jī)交互與智能家裝應(yīng)用Fig.12 Human-computer interaction and intelligent home decoration application

5 結(jié) 語

本文總結(jié)了近年自供電紡織基柔性應(yīng)變傳感器的研究進(jìn)展,對(duì)其工作原理、材料及其應(yīng)用方面做了詳細(xì)敘述。由于無需外接電源、柔性好,自供電紡織基柔性應(yīng)變傳感器在智能可穿戴等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用;同時(shí),自供電紡織基柔性應(yīng)變傳感器的材料選擇、結(jié)構(gòu)、制備及應(yīng)用一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而,現(xiàn)有的自供電紡織基柔性應(yīng)變傳感器還存在種種不足,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):1) 對(duì)于微弱信號(hào)的精準(zhǔn)檢測,多數(shù)壓電型自供電傳感器都不能檢測1 Pa以下的超低壓,摩擦電型自供電紡織基傳感器在呼吸和心跳血壓等微弱信號(hào)的檢測有待進(jìn)一步研究。2) 在材料選擇和結(jié)構(gòu)選擇上,特別是紡織基材料的制備成型技術(shù)限制了材料及結(jié)構(gòu)的選擇空間。因此,對(duì)于材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新仍是研究的熱點(diǎn)。3) 在商業(yè)化應(yīng)用和大規(guī)模生產(chǎn)上,自供電紡織基應(yīng)變傳感器還需要成本控制和技術(shù)改革。4) 在實(shí)際應(yīng)用中,自供電紡織基傳感器還存在著電輸出性能較差、驅(qū)動(dòng)設(shè)備有限等問題。

總體而言,自供電紡織基傳感器的材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備方法一直是研究的熱點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn);自供電紡織基傳感器將朝著功能化、可連續(xù)化、高靈敏化發(fā)展,并在電子皮膚、醫(yī)療健康檢測、人機(jī)交互及智能可穿戴領(lǐng)域發(fā)揮愈加關(guān)鍵的作用。

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