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用身体热量驱动“智能服装”
加入时间:2019-06-24        来源:中国科学报         作者:刘奕洋


  目前,许多可穿戴生物传感器、数据发射器以及类似的个人健康监控设备已经非常先进,并且体积越来越小。但是,这些设备仍需要许多能量维持工作,而且电源可能大而笨重。
  
  来自美国马萨诸塞大学材料化学家Trisha Andrew和她的博士生Linden Allison的一项最新研究表明,他们现已研制出一种新型面料,可以采集人体热量,为活动追踪器等小型可穿戴微电子设备提供动力。相关研究成果发表在《先进材料技术》网络版上。
  
  Trisha Andrew解释称,从理论上讲,人体热量可以利用人体温度和周围较冷空气之间的差异产生能量,这是一种“热电效应”。具有高导电性和低导热性的材料可以通过这种方式将电荷从温度较高的区域转移至温度较低的区域。
  
  研究表明,人体在每天8小时工作日中可以获得少量电能,但目前所需的特殊材料要么成本昂贵、有毒,要么效率较低。Trisha Andrew说:“我们研制出一种新方法,将生物相容性、柔韧性和轻重量聚合物膜添加在日常使用的棉布上,使其具有足够高的热电性能,可以产生较高热电压,可以驱动小型设备正常运行。”
  
  在这项研究中,研究人员利用羊毛和棉花的天然低传热特性,制造一种热电服装,它可以在一种叫做“温差电堆”的电子设备上保持温度梯度。该电子设备甚至可以在长时间连续穿戴的情况下,将热量转化为电能。这是一个非常现实可行的方案,能够确保导电材料在电、机械和热能方面持续稳定。
  
  Trisha Andrew说:“本质上,我们利用了面料的基本绝缘性能,解决了设备行业长期存在的一个问题。”
  
  具体而言,他们将一种导电聚合物——持续性P掺杂聚合物(PEDOT-Cl),通过蒸汽打印在一种高等密织和一种中等密织商用棉织物上,制成全织物温差电堆。然后,他们将这种温差电堆集成在一个特殊设计的可穿戴环上,当人们将这个环佩戴在手上时,可以产生大于20毫伏的热电压。
  
  研究人员在热水中搓揉或者洗涤涂层织物来评估PEDOT-Cl涂层的耐磨性,同时通过扫描电子显微照片评估该涂层的性能。结果表明这种涂层没有裂纹、分层,经过机械洗涤不会磨损涂层,能够确认蒸汽打刷PEDOT-Cl涂层的机械强度。
  
  随后,他们使用特制的探针测量了涂层表面电导率,发现松散织物比紧密织物表现出更高的电导率。他们强调称,这两种织物的导电性在摩擦搓揉和机械洗涤之后基本保持不变。
  
  研究人员使用热成像摄像机发现,志愿者的手腕、手掌和上臂散发的热量最大,所以Trisha Andrew和同事制作了一种有弹性的热电织物环,可穿戴在这些身体部位。他们指出,环状装置暴露在空气中的外侧部分通过纱布厚度与体温隔绝,而只有未涂层的一侧与皮肤接触,从而降低对PEDOT-Cl的过敏反应。
  
  研究人员注意到流汗显著增加了弹性臂环的热压输出,这一点并不奇怪,因为他们发现,湿棉花是被认为比干织物更好的导热体物质。通过在佩戴者的皮肤和腕带之间插入一层热反射塑料层,他们可以随意关闭热量传输。
  
  “与传统生产设备相比,反应蒸汽涂层工艺在低温下产生具有显著较高温差电势率因子的耐磨织物热电堆,此外,我们还描述了将温差电堆自然集成到服装设计中的最佳实践。”Trisha Andrew说。

(责任编辑:狄丛丛)
 
 
 
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