智能服饰时代即将开启,突破电能与感应的九项新技术你get了吗?
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近年来，智能服饰成为行业关注的焦点，与此相关的科学技术也不断取得新的突破，新的产品跟着陆续涌现。
前段时间，国内发布了首款心电监测智能服饰。这款智能服饰不仅能对人体的生理信号进行采集，而且还能满足日常的使用，能够进行机洗，实现了真正意义的上实用。据了解，该项智能服饰最大的难点在于“布料”，为此该团队耗费了近10年的时间研究一块特殊的布料。这虽然是实际应用的智能服饰小案例，但实际上却反映了目前智能服饰的难点——实用。
相较于传统的服饰，智能服饰不仅要提供实用的功能，也要满足日常生活对于服饰的需求，譬如穿着舒适，能够进行水洗、折叠、烘干等。因此，一些关键技术的突破就显得尤为重要。这其中，电能的供应和感应器件一直是两大瓶颈，也是困扰着目前市场上没有“杀手级”智能服饰产品的原因。
可喜的是，这些关键技术不断有新的突破，特别是电能的供应和感应器件方面。而从创新主体多为高校可以看出，主要还是基础研究层面的突破，真正实现产业化和产品面世还需要时间。但毫无疑问的是，智能服饰时代即将开启。
随着柔性可穿戴电子学的蓬勃发展，皮肤型电子器件的研究和制备已成为该领域的焦点之一。为了构筑一体化的电子系统，人们迫切需要柔性、超薄、轻量化的皮肤型能量存储装置。超级电容器作为一种新型的储能器件，引起了研究者们的广泛关注，然而传统的薄膜型超级电容器厚度一般在20μm以上，无法满足柔性和皮肤电子学器件的实际要求。此外，该类超级电容器多采用金属集流极和衬底，由于集流极多为脆性材料，价格高昂，且器件必须依附衬底，无法实现大角度弯折，因此现有器件难以应用于柔性便携电子学，特别是皮肤电子学领域。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组（A05组），多年来一直致力于碳纳米结构的制备、物性与应用基础研究，近年来在碳纳米材料基柔性储能器件领域取得了系列成果。最近，该课题组研究生栾平山、张楠、张强在解思深院士、周维亚研究员的指导下，与南开大学化学学院牛志强教授等人合作研制出一种柔性、超薄、自支撑、高性能的皮肤型超级电容器。
他们利用直接生长的碳纳米管薄膜与PEDOT进行复合，并对其负载量和电化学性能进行优化。得益于大量“Y型结”构成的连续网络结构，该复合薄膜具有高达~1600 S cm-1的电导率和~300 MPa的力学强度，有助于皮肤型器件的构筑。提出一种基于衬底表面能差异的分步分离技术，实现了器件和衬底的无损分离，构筑出厚度约为1 μm的超薄器件。经测试，这种皮肤型超级电容器的比电容为56 F g-1（相对于两电极质量），能量密度为6.0 W h kg-1，功率密度为332 kW kg-1，响应时间为5.4 ms，此外器件还可耐受105次的弯折。相对于其它薄膜器件，该皮肤型超级电容器在比电容量、功率密度、响应时间上均体现出显著优势。据悉，该皮肤型电容器有望应用于柔性可穿戴电子学和皮肤电子学等领域。
▲皮肤型超级电容器的组装过程示意图，SWCNT/PEDOT复合薄膜(b)和皮肤型超级电容器(c)-(d)的光学照片，(e)-(f) 皮肤型超级电容器截面的SEM图像。
信息时代的进步带来了各种便携式电子设备的飞速发展，作为便携电子设备的核心之一，可反复充放电的电池部分保证了我们可以随时随地的在信息化时代里处理信息，保持联系。近几年，可穿戴电子设备因其更加便携的应用性和更高的智能化而成为全世界研究的热点，同时也对其中集成的电池部分提出了柔性化、可穿戴性、亲肤性等新的要求，以保证可穿戴电子设备随时随地、高效稳定的工作。
基于此，中国科学院半导体研究所沈国震课题组在已有的系列柔性储能材料与器件工作的基础上，与电子科技大学王志明教授开展了深入的合作，设计了一种超长纤维状超级电容器，可纺织成可穿戴式能源存贮织物并且集成到智能手环、手表上等便携电子设备上。
研发团队通过将附着CoNiO2纳米材料的复合碳纤维作为超级电容器的电极，巧妙地以类似DNA双螺旋结构的方式将电极缠绕在有机高分子纤维骨架上，制成了超长超级电动器纤维器件。器件兼具了高容量、超强柔性、可编织性和超强韧性与超久使用寿命等特点，在充电后可以稳定的对外供电。同时，器件在经过弯曲、弯折、打结等变形后仍能够保持稳定的供电输出和器件结构，使用寿命不受影响。即使重复弯折2000次其储能容量依然能够保持在原有水平。进一步将此纤维器件进行编织，集成到衣物或穿戴在身上，可以作为可穿戴电子设备的有效供电单元，驱动MP3、LED、手表等便携电子设备工作。相信这种纤维状超级电容器在可穿戴健康监测设备、多功能电子衣物、人造皮肤等领域具有巨大的应用前景，将继续推进柔性电子设备、可穿戴智能设备等新型高科技产品的发展。
▲应用于可穿戴电子设备的纤维状超级电容器。
人们希望科技进步最终会将夹克和其他衣物变为永远无须连接电缆的可穿戴太阳能电池。无论是背负沉重电池负载的士兵，还是热衷于电子设备的青少年，可穿戴技术有朝一日将实现只需将智能手机放入口袋即可充电。
美国佛罗里达大学纳米技术中心的研究人员开展了独创性研究。目前中佛罗里达大学的研究人员正在进一步开发可穿戴技术，研究团队开发了一种可弯曲的轻质铜质丝线。这种丝线的一面是太阳能电池，另一面则是能量存储层。借助纳米科技，这种丝线拥有更好的舒适性。研究人员还利用小型桌面式织布机，将这种丝线织成了一片织布。
此次概念实验表明，这种丝线可以织造成包括夹克衫在内的各类外衣，收集并存储能量，为手机、个人健康传感器和其他高科技电子产品充电。该丝线织物克服了太阳能电池的主要缺点，即产生的电力必须上传电网或存储在电池中，而该缺点限制了太阳能电池便携性。
研究人员称该创新技术的主要应用领域是军事应用。在复杂战场条件下，军方很难向士兵运输电池，因此在伊拉克和阿富汗等战区作战的士兵往往需随身携带超过30磅的电池。该技术使穿戴此类衣物的士兵可在阳光充足的条件下随时产生和存储电力。
▲用于发电和电力存储的纤维。
与传统的平面状能源器件相比，纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高，同时可以像高分子纤维一样，通过纺织技术进行大规模应用，从而满足可穿戴设备和各种便携式电子设备的应用需求。
南京大学金钟和刘杰教授研究团队设计了一种多功能的CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维，碳纳米纤维的高导电性以及二硫化钼优异的电化学性能的结合，使得该复合纤维在太阳能电池、超级电容器、锂离子电池以及电化学催化中均展现出优异的性能。
其中，染料敏化太阳能电池主要是在钛丝上使用电化学阳极氧化法制备了二氧化钛纳米管，CF@TiO2@MoS2同轴纳米复合纤维作为对电极，注入电解液后，构成纤维状太阳能电池，在标准光源条件下其光电转换效率达到了9.5%，是目前世界上已发表文献中纤维状太阳能电池效率的最高记录。
超级电容器主要是利用PVA/H3PO4凝胶作为电解质，制备了对称型纤维状超级电容器，其电容可达18.51 mF cm2。在此研究基础上，该团队通过简单、低成本的方法，构筑了纤维状光电转换与能源存储一体化集成器件。在设计的自供电纤维状能源器件中，能源采集和能源存储单元共享同一根纤维电极，在单个纤维器件上同时实现“光-电-电化学”能源采集和存储，并且具有高效率、耐弯折、可编织等优点。
在太阳光照条件下，该器件的超级电容器部分能够实现仅需7秒钟的快速充电。该工作设计的自供电纤维状能源器件在柔性可穿戴自供电能源系统中迈出了关键一步，为发展下一代先进能源器件提供了新思路。
▲快充的自供电纤维状能源器。
目前，要实现通过衣服对温度的变化进行准确的检测，有三个方面的问题难以克服：首先是衣服的传感性能与衣服本身作为装饰所必备的美学因素的平衡；而高延性是另一个巨大的挑战，皮肤的延展和关节的弯曲都需要一定的可拉伸性能；此外，耐洗是绝大多数衣服的基本要求，对于传感器而言也将是必不可少的。
为了解决上述难题，中国人民大学化学系王亚培课题组开发出一种传感纤维，该纤维在应变达到100%下的情况下仍然能够保证其传感性能的稳定。基于类似于传统的连续染色工艺，利用一步氧化法在涤纶纤维表面原位生长上一层具有热敏性能的聚吡咯，从而制备得到聚吡咯导线。同时通过将传感纤维螺旋缠绕到弹性纤维上，实现可拉伸的性能。简单低廉的传感材料加上可流水线生产的工艺流程使得该方法未来更加利于实际的推广应用。纤维结构让传感性能能够很好的与现有的纺织物相结合，在实现传感功能的同时不影响衣服本身的属性。值得注意的是，该纤维状传感器在拉伸和弯曲情况下依然能够很好的实现其传感性能，重复拉弯曲一百次以上其导电性能基本不变，这就为实际应用提供了重要支撑。而更重要的是，该传感器耐水洗，在商用洗衣机中进行多次水洗后，依然能够很好的工作。
该研究工作是基于导电高分子聚吡咯，结合中华民族传统的染色工艺和刺绣工艺，构筑了一种可穿戴的柔性温度传感器，这种传感器能够对温度、红外等产生良好的响应，并且具有优越的柔性，对外力造成的弯曲和拉伸具有很好的耐受性；不仅如此，该传感器还耐水洗，该制备工艺和策略完美地解决了智能服饰中进行稳定的实时温度检测的难题。而且这种策略适用性广，未来完全可以扩展到其他传感材料，从而实现不同可拉伸传感纤维的集成。
▲兼具耐洗、感温、服饰美学的传感纤维。
技术的不断进步给传统织物带来了新的能力，使得人们有可能改变与服装和其他纺织产品交互的方式。近来引起关注的智能织物可与穿戴者或环境进行数据跟踪和交互，在人类健康、远程医疗、公共安全、国防等重要领域都具有广泛的应用前景。然而，在目前这种技术的发展中，其真正全部潜力的释放，仍然存在几个巨大的挑战，特别是与现有纺织工业技术的兼容性与可扩展性，以及织物的可洗涤性，这对材料、器件设计和制造工艺提出了更为苛刻的要求。
北京大学信息科学技术学院、，取得重要进展，实现了用于人体能量收集和呼吸监测的可机洗织物电子器件。
联合课题组采用聚合物辅助沉积法得到表面镀铜的涤纶纱线和以此为内芯表面覆盖聚酰胺的纱线。由于两种纱线均具有很好的机械强度，并且可以量产，因此可以在商用纺织机上通过平纹纺织的方式得到织物电子器件。当织物发生形变时，在每一个两根纱线交叉处，两种性质不同的表面产生摩擦，诱发感应电荷。于是，在不断发生形变的过程中，机械能转变为电能，通过这种方式所得到的织物电子器件类似于传统织物，非常柔软，可以捕捉到人体的微弱运动，最终实现了运动能量的收集和穿戴式的呼吸监测。与此同时，该织物电子器件在经历了若干次机器洗涤测试后，仍然能够维持良好的性能。由于与纺织工业的兼容性，所展示的可机洗性，以及对微弱运动的敏感性，使得该类型的织物电子器件未来在运动监测，医疗监控，甚至公共安全方面都具有巨大的应用潜力。
桑蚕丝素有“纤维皇后”的美誉，其不仅柔软光滑、色泽饱满，而且具有调节温湿度、冬暖夏凉的功效。桑蚕丝在我国产量丰富，伴随了中华民族几千年的文明发展历程。最近，清华大学化学系张莹莹团队开发了桑蚕丝的一种新用途——用于制备高性能且低成本的柔性可穿戴传感器。
张莹莹团队采用市场上购得的最普通的平纹编织的真丝面料，首次发展了高温热裂解桑蚕丝绸并用于制备高性能柔性应力传感器的策略。由于平纹桑蚕丝绸固有的多级结构（经纬纱线分别由数根加捻微米蚕丝纤维和平行微米蚕丝纤维组成），所获得的碳化丝绸具有“纳米石墨晶-微米级纤维-宏观编织图案”多级结构，从而同时具有柔性、高导电性和高可拉伸性的特点，将其包埋于弹性聚合物中所制备的柔性传感器兼具高灵敏性和宽应变工作范围。具体而言，该柔性传感器可被反复拉伸到原长度的至少五倍，即可耐受 >500% 的应变，而且在该范围内一直保持突出的灵敏度（在0-250%和250-500%应变范围内灵敏系数分别达9.6和37.5）；其响应时间小于70 毫秒；其重复性、稳定性和耐用性优异，在10,000次循环试验时一直保持稳定的响应，且未观察到性能降低。
所制备的应变传感器即可用于人体大尺度运动的检测，也可用于小尺度运动和微弱生理信号（比如脉搏）的检测。该团队展示了该传感器的诸多实际使用和出色性能，例如，可将其直接贴于人体皮肤或负载在衣物、配饰上，用于检测关节运动（比如慢跑、跳跃等）；也可用于检测脉搏、微表情、呼吸、声带发声等微弱运动。若将其与信号处理及命令生成系统集成，还可实现对人体运动的捕捉与重建，有望服务于未来的虚拟科技发展。显然，这种将纤维织物进行碳化制备大应变高灵敏柔性传感器的策略可推广到其他纤维织物，如棉织物、人造纤维织物等，从而为高性能可穿戴应变传感器的低成本、大规模制备开辟了一条崭新的途径。
▲用桑蚕丝制备高性能低成本的柔性可穿戴传感器。
柔性应变传感器作为可穿戴电子设备的重要核心部件获得了广泛的研究，对外界刺激的响应灵敏度、响应速度以及对于大规模阵列器件的制备都取得了巨大的进展。理想的柔性应变传感器，除了需要保证具有高灵敏度和快速响应速度外，还需要兼顾在大拉伸应变下不被破坏，从而获得更宽的应变工作范围和稳定的应变能力。
基于此，中国科学院半导体研究所沈国震课题组与北京科技大学陈娣教授、解放军总医院姜凯教授开展了深入的合作，设计了一种新型的导电纤维结构，通过在弹性绳上预先包覆一层静电纺丝纳米纤维膜来降低大拉伸应变对器件结构的破坏，然后将银纳米线吸附在纳米纤维膜表面作为导电层，形成同轴结构的可拉伸应变传感器件，可有效提高导电纤维的稳定性和耐久性。
这种可拉伸的导电纤维能够同时感应多种应变刺激，包括拉伸、弯曲、扭曲等，并表现出极快的响应和恢复速度，同时具有良好的性能再现性、稳定性和耐久性，在重复拉伸一万次循环试验后仍具有高达90%的灵敏度保持率。将这种柔性纤维器件转移至人体不同部位可实时监测人体的各种运动和健康信息。在人体大尺度运动的监测方面可以实现对手指等部位关节的运动监测；在微弱生理信号方面可以实现对脉搏强度、心跳次数的实时监测，还可以通过对人体发音时声带处肌肉群运动产生的微弱形变，实现对语音的识别，从而有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和人体运动监测行为等方面获得广泛应用。
基于这种多功能的导电纤维，该研究团队还集成了具有十通道电路的电子数据手套，该智能数据手套能够通过监测手指关节的运动来识别各种手势变化，实现了柔性传感技术在可穿戴实时监测和人机交互等领域的应用功能。相信这种基于导电纤维的数据手套在类人机器人的运动监测、可穿戴健康监测设备、聋哑人交流的辅助设备等领域也具有巨大的应用前景，将为推进柔性电子设备、可穿戴传感技术和人体健康监测等智能系统的发展提供新的思路。
▲导电纤维集成的智能数据手套。
传统发光器件的导电薄膜多采用ITO薄膜，但其在沉积时要求真空度高，生产成本较高，柔性差，并且粘附性能不好，刚性易碎，限制了其在柔性显示领域的广泛应用。碳纳米管(CNT)导电薄膜作为性能更好的替代品，在导电、透光，强度和柔性方面都呈现良好的特性，少量的CNT就可以形成一层随机的网络结构的CNT柔性透明导电薄膜，可以代替传统的ITO薄膜应用在未来的柔性可穿戴设备当中。
天津工大耿宏章教授团队研发出的可穿戴用柔性光电薄膜制备技术，用一种简易快速喷涂与酸处理技术相结合的技术以及棒涂法与酸处理优化技术相结合，可以大面积快速制备碳纳米管柔性透明导电薄膜，能够克服ITO薄膜的很多缺点，在保持高透光率的前提下提高柔性碳纳米管导电薄膜的导电性能，降低面电阻，降低成本，以期将其更好的应用于光电器件等领域。CNT薄膜应用于触屏手机的触摸感应器层，就其柔韧性这一点来说，可以应用于可弯曲、柔性的触摸屏，就其高导电性能的这一点来说，它能够大幅提高触屏手机多点触控的灵敏性，其光学性质稳定，高透光率的特点则会让你的手机屏幕画质更加清晰，色彩逼真。这种薄膜会成为未来应用在可穿戴设备上的最有发展前景的材料之一。
根据NanoMarket公司公布的预测，仅平板显示器、薄膜太阳能电池与有机发光显示等高端应用对透明导电膜的需求到2017年将达到5亿平方米。随着柔性显示器、触摸屏、发光器件等需求的急速增长，碳纳米管薄膜的市场份额逐渐增加，市场前景会非常好，将产生巨大的经济效益。
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