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科技資訊
用身體熱量驅動“智能服裝”
時間:2019年6月18日  來源:紡織科技雜志

 目前,許多可穿戴生物傳感器、數據發射器以及類似的個人健康監控設備已經非常先進,并且體積越來越小。但是,這些設備仍需要許多能量維持工作,而且電源可能大而笨重。

 

    來自美國馬薩諸塞大學材料化學家Trisha Andrew和她的博士生Linden Allison的一項最新研究表明,他們現已研制出一種新型面料,可以采集人體熱量,為活動追蹤器等小型可穿戴微電子設備提供動力。相關研究成果發表在《先進材料技術》網絡版上。

  Trisha Andrew解釋稱,從理論上講,人體熱量可以利用人體溫度和周圍較冷空氣之間的差異產生能量,這是一種“熱電效應”。具有高導電性和低導熱性的材料可以通過這種方式將電荷從溫度較高的區域轉移至溫度較低的區域。

  研究表明,人體在每天8小時工作日中可以獲得少量電能,但目前所需的特殊材料要么成本昂貴、有毒,要么效率較低。Trisha Andrew說:“我們研制出一種新方法,將生物相容性、柔韌性和輕重量聚合物膜添加在日常使用的棉布上,使其具有足夠高的熱電性能,可以產生較高熱電壓,可以驅動小型設備正常運行。”

  在這項研究中,研究人員利用羊毛和棉花的天然低傳熱特性,制造一種熱電服裝,它可以在一種叫做“溫差電堆”的電子設備上保持溫度梯度。該電子設備甚至可以在長時間連續穿戴的情況下,將熱量轉化為電能。這是一個非常現實可行的方案,能夠確保導電材料在電、機械和熱能方面持續穩定。

  Trisha Andrew說:“本質上,我們利用了面料的基本絕緣性能,解決了設備行業長期存在的一個問題。”

  具體而言,他們將一種導電聚合物——持續性P摻雜聚合物(PEDOT-Cl),通過蒸汽打印在一種高等密織和一種中等密織商用棉織物上,制成全織物溫差電堆。然后,他們將這種溫差電堆集成在一個特殊設計的可穿戴環上,當人們將這個環佩戴在手上時,可以產生大于20毫伏的熱電壓。

  研究人員在熱水中搓揉或者洗滌涂層織物來評估PEDOT-Cl涂層的耐磨性,同時通過掃描電子顯微照片評估該涂層的性能。結果表明這種涂層沒有裂紋、分層,經過機械洗滌不會磨損涂層,能夠確認蒸汽打刷PEDOT-Cl涂層的機械強度。

  隨后,他們使用特制的探針測量了涂層表面電導率,發現松散織物比緊密織物表現出更高的電導率。他們強調稱,這兩種織物的導電性在摩擦搓揉和機械洗滌之后基本保持不變。

  研究人員使用熱成像攝像機發現,志愿者的手腕、手掌和上臂散發的熱量最大,所以Trisha Andrew和同事制作了一種有彈性的熱電織物環,可穿戴在這些身體部位。他們指出,環狀裝置暴露在空氣中的外側部分通過紗布厚度與體溫隔絕,而只有未涂層的一側與皮膚接觸,從而降低對PEDOT-Cl的過敏反應。

  研究人員注意到流汗顯著增加了彈性臂環的熱壓輸出,這一點并不奇怪,因為他們發現,濕棉花是被認為比干織物更好的導熱體物質。通過在佩戴者的皮膚和腕帶之間插入一層熱反射塑料層,他們可以隨意關閉熱量傳輸。

  “與傳統生產設備相比,反應蒸汽涂層工藝在低溫下產生具有顯著較高溫差電勢率因子的耐磨織物熱電堆,此外,我們還描述了將溫差電堆自然集成到服裝設計中的最佳實踐。”Trisha Andrew說。

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