自供電可穿戴智能紡織品研究進展

王子洵　魏傳輝　呂天梅　王佩紅　董凱

摘要：先進的自供電技術與可穿戴智能紡織品工藝的相結合，促進了新一代可穿戴智能紡織品和基于人工智能系統的可穿戴智能平臺的快速發展和深入研究。與傳統的傳感器與可穿戴紡織品相比，可穿戴智能紡織品輕質便攜、功能性強的特點使其在未來的發展和產業化的推進將具有更大的機遇與挑戰。首先介紹了用于可穿戴智能紡織品的自供電技術的基本機理和發展歷程，然后針對不同的自供電技術，詳述了各自的優缺點。其次，介紹了用于自供電可穿戴智能紡織品的導電材料、聚合物介質材料與紡織結構，主要包括材料種類、應用場景、發展歷程和突出優勢等方面。然后，介紹了自供電可穿戴智能紡織品的潛在應用，主要包括應急電源、醫療健康、人機交互和安防監測等領域。最后，針對自供電可穿戴智能紡織品目前存在的困難與關鍵性挑戰，對其未來發展和應用需求做了展望。

關鍵詞：智能紡織品；自供電技術；可穿戴電子設備；織物基傳感器；物聯網

中圖分類號：TS101.8???? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）03-0035-19

Research Progress of Self-powered Smart Wearable Textiles

WANG Zixun1， 2， WEI Chuanhui2， LV Tianmei2， WANG Peihong1， DONG Kai2， 3*

（1.Anhui University， School of Materials Science and Engineering， Hefei 230601， China;2.Beijing Institute of NanoenergyandNanosystems Chinese Academy of Sciences， Beijing 101400， China;3.University of Chinese Academy of Sciences，School of Nanoscience and Engineering， Beijing 100049， China）

Abstract： The combination of advanced self-powered technology and wearable intelligent textiles has promoted the rapid development and in-depth research of the next generation of smart wearable textiles and platforms based on AI systems. Compared with traditional sensors and wearable textiles， smart wearable textiles have greater opportunities and challenges in the future development and industrialization due to their lightweight， por- table and functional characteristics. First，the basic mechanism and development process of self-powered tech- nology for smart wearable textiles are introduced， and then theirrespective advantages and disadvantages fordif- ferent self-powered technologies are detailed. Secondly， the conductive materials， polymer materials and textile structures for self-powered smart wearable textiles are introduced， including material types， application scenari- os， development history and advantages. Then， their potential applications are introduced， including emergencypower supply， medical health， human-machine interaction system and security monitoring. Finally， in view of the current difficulties and key challenges ， their future development and application needs are prospected.

Key words： smart textiles; self-powered technology; wearable electronics; fabric sensors; Internet of Things

隨著傳感通訊技術、人工智能技術、可穿戴技術以及物聯網技術的普及與發展，現代可穿戴電子設備和移動電子設備的發展深受影響，造成了智能電子設備近年來跨越式的推進[1-5]。精密的、大體積的、剛性的、固定式的智能電子設備逐漸滿足不了用戶對于移動智能系統、個體健康監測、個性化私人服務的需求[6-8]。可穿戴及柔性智能電子設備的出現有效的緩解了這一現狀[9]，并且迅速占領了生物醫療[10]、軍事應用[11-12]、傳感監測[13]的電子市場[14]。目前，心電貼、智能手環、機械外骨骼、VR眼睛、VR手柄、血脂監測儀等商業及專業可穿戴電子設備已經廣泛的出現在市場上[15]，但是剛性傳感器、剛性外包裝、輔助的機器的存在，在一定程度上限制了它們的使用，例如心電貼往往需要龐大的計算機系統以及專業的醫護人員輔助進行數據采集及處理，商用VR設備需要采用剛性外殼對內部電子元件進行保護等。因此，新一代的可穿戴電子設備應該更加關注其的柔韌性、透氣性、輕便性、商用性和家用性[16-17]。并且，集成了高靈敏度傳感器、精密數據采集器、調整電路和通訊模塊的可穿戴電子設備也會因其自身內部器件的性質（剛性、刺激皮膚、厚重）而嚴重影響到它們的性能。因此，研究新型的、柔性的、與人體相容性高的可穿戴電子設備非常重要。

作為人類日常生活基本必需品之一的紡織品，通常是由纖維或紗線紡織而成，并貫穿人類發展歷史數千年[18-19]。經過時間的沉淀，現代社會的紡織品不再局限于傳統紡織品的防寒保暖護身，現代市場及應用場合中，優異的紡織品通常需要承受多種復雜的機械形變、較好的耐磨性、耐洗性、透氣性、透濕性及抗疲勞性[5]。將智能纖維、紗線或多功能智能電子設備高度集成到紡織結構中，可以將很多功能與可穿戴紡織品很好的結合在一起，并賦予紡織品多種智能屬性，例如，能量采集、實時傳感、發光變色、監測追蹤與健康醫療等[20-21]。這種可穿戴智能紡織品的出現，賦予了傳統紡織品領域新的活力[22]。

為確保可穿戴智能紡織品設備與人體皮膚、服裝表面完全兼容，傳感器元件、電路處理元件、信號傳輸設備及基底都必須具有柔韌性、透氣性和可拉伸性，可穿戴智能紡織品的制備材料同樣需要一定程度的機械性能、電學性能及自適應性能[22]。一方面，具有良好導電性能的柔性材料能保證可穿戴智能紡織品中各電子元件能夠正常運行，因此，用于構建電子元件的材料則必須有具有一定的導電性能或自供電轉化能力[23]，這種自供電技術能有效的提升可穿戴智能紡織品的續航能力、輕便性、家用性能及產業化能力。另一方面，具有高透氣性和可拉伸性的基底材料能有效的提高用戶使用舒適度，具有高透氣性的可穿戴智能紡織品將減少皮膚刺激、炎癥反應的發生率，更加利于用戶接受相關產品，同時攜帶自供電技術的自供電可穿戴智能紡織品減少了電池、有線電源的使用，一定程度上提高了其生物相容性，并降低了其使用門檻[24-26]。相信，在不久的未來，自供電可穿戴智能紡織品有望為各行各業（人體監護、醫學監測、生物醫療、安全防護等領域）提供新的思路和應用方式，同時能夠解決該領域的一些深層次問題。最終，自供電可穿戴智能紡織品將成為我們日常服飾的重要組成部分。

自供電可穿戴智能紡織品已經在實驗室規模進行了廣泛的研究與應用驗證，但是其工作機理、材料選擇、應用場景、制備方法、應用前景等基本問題依然沒有得全面系統的總結或實時地更新。同時，自供電可穿戴智能紡織品領域所包含的自供電技術也沒有全面的總結與對比。這些尚未解決或更新的問題將嚴重阻礙該領域在未來的發展和產業化的推進。在此，本文著重地介紹了自供電可穿戴智能紡織品的自供電機理和所對應機理的材料制備與選擇的最新進展。本文還指出了該領域目前所面臨的挑戰。我們希望上述的介紹與展望將有助于協助該領域研究人員克服目前存在的一些重大問題，同時，我們希望能為自供電可穿戴智能紡織品領域的未來發展提供指導價值。

1常見的自供電可穿戴智能紡織品

自供電可穿戴智能紡織品的功能眾多，根據功能不同進行分類，這些紡織品需要在不同的應用場景里工作，而不同的應用場景適合不同自供電技術。同時，不同的自供電技術的工作效率在同一場景也會受到限制，往往同一器件需要多種自供電技術相結合，而自供電技術的選擇和搭配方式決定了最終紡織品的工作效率與能源轉換效率。本部分將詳細地介紹目前常見的幾種自供電可穿戴智能紡織品，并討論它們目前存在的優勢與缺陷。圖1展示目前應用于自供電可穿戴智能紡織品的自供電技術、工作原理、能量來源及其多功能應用。

1.1壓電式

壓電效應是指壓電材料在外力的作用下，其內部產生極化現象，并在其兩個相對表面上產生正負相反電荷的效應，反之，在外部電場的作用下，壓電材料會產生對應方向上的拉伸或壓縮。壓電式智能紡織品正是基于此效應，將機械信號轉化成電信號，從而實現了基于紡織品的高靈敏度壓力傳感器與能量采集器。考慮到其易于制備、小巧高效、長壽耐用等特性，可以廣泛的應用于生物醫學、行為監測、身份識別等領域。早在2006年[35]，研究人員便從基于聚合物/金屬納米纖維的微結構活性紡織品的研究中發現其作為能量采集器或傳感器的可能。隨后，基于壓電納米發電機/壓電傳感器的可穿戴智能紡織品引起了廣泛的關注。在研究人員的努力下，用于可穿戴智能紡織品的柔性壓電納米發電機的工作功率，從2006年前后的每根納米線～0.5 pW提升到了近幾年數幾mW，而目前用于可穿戴智能紡織品的壓電傳感器具有的時間響應特性、穩定性、耐久性、生物相容性、可降解性與穿戴舒適性均得到了較大的提升。

目前，壓電式自供電可穿戴智能紡織品作為優異的能量收集裝置與高性能應變傳感器已經得到了廣泛的發展與應用，并在耐久性、生物相容性與穿戴舒適性等功能性上有了較大的提升，然而，受限于壓電材料的自身屬性與環境中能量的不確定性，壓電式智能紡織品的工作效率、穩定性、輸出功率、能量密度依然具有較大的挑戰，這依然需要研究人員在未來不斷的深入研究與突破。

1.2摩擦電式

摩擦納米發電機是一種高效的自供電技術，其工作原理是基于接觸起電效應和靜電感應效應耦合效應。以常見的單電極式摩擦納米發電機為例，當手指或其他摩擦材料接觸薄膜時，在接觸起電效應和靜電感應效應的耦合作用下，它們表現出了相反的電極性電荷轉移，從而造成了一個電勢差，為了平衡電位差，電子會在摩擦材料背側的電極與大地之間流動，從而產生電流輸出。基于此原理的摩擦電式智能紡織品，創新性地將固體剛性薄膜替換成柔性的纖維織物材料，從而進一步的擴大了摩擦納米發電機的應用范圍。因此，其不僅可以通過收集環境中無序的機械振動轉化成高電壓、低電流的電能，同時可以在高靈敏的監測環境中存在的無序機械力，被廣泛應用于醫療保健、軍事裝備、安全防護、健康監測、手語交流等領域。2014年，ZHONG[36]等人首次提出了用于監測人體生理和生物力學信號的個性化醫療保健智能服裝。這種智能服裝采用商品棉線、聚四氟乙烯水懸浮液和碳納米管作為制備材料。在沒有外界電池的情況下，電輸出功率達到～0.1μW/cm2，能夠被用作為自供電的無源傳感器。此后，各種基于摩擦電式的可穿戴智能織物如雨后春筍般涌現，在研究人員的努力下，其平均功率也從最初的～0.1μW/cm2提升到了如今的～50 mW/cm2。長久以來，基于一維纖維、二維織物與三維結構紡織品的摩擦電式可穿戴智能紡織品得到了大量的研究，研究內容也逐漸從傳統研究的柔順性、透氣性、兼容性向著為更加功能性的靈敏性、舒適性、可視化、耐用性轉變。

大量的實驗結果都證明了，摩擦電式可穿戴智能紡織品在可穿戴自供電電源、可穿戴智能傳感器、可穿戴自供電監測設備領域中的巨大實用價值與商用價值，然而，摩擦電式可穿戴智能紡織品所蘊含的輸出功率問題、內阻匹配問題、輸出穩定性問題、生物相容性問題、信號串擾雜問題及結構一體化問題依然需要研究人員投入大量時間與精力去解決，可以預見的是，摩擦電式可穿戴智能紡織品想要實現商用化、工業化及產業化還有很長的路要走。

1.3光伏式

太陽能/光能是自然界中最為常見的能源之一，十九世紀法國科學家貝克雷爾發現，光能使半導體材料的不同部位之間產生電位差，即光伏效應。基于光伏效應的光伏發電技術是利用半導體材料界面將光能轉變為電能的一種自供電技術。其中，將太陽能電池板集成到紡織品表面是最簡單的方法之一，基于此法所制備的可穿戴智能紡織品已經廣泛的出現在了市場上，例如太陽能背包、太陽能風衣等。然而，太陽能電池板多為剛性材料制備，即使是柔性的太陽能電池板也會影響到服裝的美觀度與舒適度，同時其的耐用性與耐洗性也是一個值得探討的問題。

通過將光伏材料沉積、印刷、層壓或涂覆在紡織基材上可穿戴智能紡織品的柔順性、耐磨性、穩定性與可洗性得到一定的提升，隨著改變光伏材料的種類與功能，紡織品還會被賦予新的性能，例如熱敏性能、阻隔性能。但是，光伏薄膜涂層通常具有光滑的表面、固有的顏色以及糟糕的透氣性與透濕性等特點，這毫無疑問會影響使用者的使用體驗。

通過將光伏纖維/紗線直接編織或集成到紡織結構當中，可以有效的使得智能紡織品兼備了收集太陽能/光能的能力，同時也保持了紡織品原有的高表面積、大長徑比、低密度和大孔隙率的特點，這將有利于提升光能的功率轉化、保證智能紡織品的長期穩定性。然而，如何平衡光伏纖維與基底纖維的比例將影響到光伏式智能紡織品的柔順性，如何實現光伏纖維、光伏膠帶的常態化、商業化制備同樣值得人們思考。

1.4熱電式

除了上述可用于自供電技術的能量外，熱能與溫差同樣也無處不在。熱電發電機是通過塞貝克效應、珀爾貼和湯姆遜效應將熱能轉化為電能的裝置，通過收集人體的熱能可以為熱電發電機提供穩定的熱源，此應用具有巨大的前景。熱電發電機由于其本身特有剛性與笨重的特點，增加人體運動負擔，不利于在人體上大面積使用，可穿戴性條件帶來的實際限制，造成了輸出效率有限。纖維/紗線/線圈等紡織材料可以在確保熱電發電機器件足夠靈活的條件下，大規模的集成到可穿戴智能紡織品。這類熱電發電機可以通過打印、沉積、直接編織等方法集成到智能紡織品內，從而實現自供電功能與熱敏傳感功能。并且相比于壓電式、摩擦電式、光伏式紡織品而言，熱電式智能紡織品對于與溫度變化相關的信號更加敏感。

毫無疑問的是，熱電式智能紡織品在可穿戴熱量收集裝置、可穿戴熱敏傳感器領域中展現出巨大的實際應用價值，然而，熱電式智能紡織品依然具有熱功率轉化率低、集成面積低、形狀可塑性差等特點，許多具有高熱電效率的工程材料依然無法工業化地制備成性能改進的熱電式智能紡織品，這依然需要研究人員付出巨大的努力。

表1進一步總結基于不同自供電技術的自供電可穿戴智能紡織品的分類和比較。由于每種自供電技術都有其自身的優勢與缺陷，針對某一特定環境下，單使用一種自供電技術的自供電可穿戴智能紡織品將不可避免的會帶來該種自供電技術相應的優勢與缺陷，同時，也會影響智能紡織品的多功能性與傳感靈敏性。通過集成與制備具有多種自供電技術的自供電可穿戴智能紡織品，充分地展現各自供電技術的供能優勢、彌補其自身的缺陷，將會使自供電可穿戴智能紡織品具有更大的發展潛力與應用潛力。

2常見的智能紡織品材料

相比于普通紡織品，自供電智能紡織品在保留了普通紡織品的可穿戴性能與舒適性能的同時，也具有一些特殊的性能，例如突出的導電性、自供電性等等。通過將良好導電性、自供電性能的材料無縫編織或集成到紡織品內，會賦予這些紡織品與人體或環境交互的能力。為了更好的了解與研究自供電可穿戴智能紡織品的導電性與自供電性能，本部分對當前智能紡織品常用的電活性材料與電轉化材料及其相應代表進行了簡要而有針對性的總結與分析。

2.1電活性材料

智能紡織品在應用過程中需要被著重考慮的因素是選擇具有良好的電氣性能、穩定的耐久性能、良好的機械耐磨性能、可靠的耐洗性與安全性能以及易于制備生產，且對紡織品無負面影響的導電材料。根據材料的種類而言，目前常用的紡織品導電材料大致分為兩類：無機導電材料、有機導電材料。無機導電材料主要包括了碳基材料、離子導電材料和金屬及其氧化物；有機導電材料主要包括了導電聚合物與有機復合材料。表2總結了不同導電材料的分類、主要代表以及其優缺點。

碳基材料具有比表面積大、導電穩定性高、導熱耐熱性能高及生產成本低等特點，因此受到了相關科研人員前所未有的關注。按結構來分，用于紡織品的碳基材料可以分為零維碳基顆粒（炭黑、碳粉等）、一維碳基纖維（碳纖維、碳納米管等）與二維碳基膜（氧化石墨烯、還原氧化石墨烯）。其中，碳納米管和石墨烯因其優異的性能、成熟的研究、工業化的生產，而受到可穿戴電子設備領域的廣泛關注。限制碳納米管和石墨烯在智能紡織品領域大規模加工生產應用的問題是其通常具有較深的顏色以及較差的分散能力，這是因為碳納米管和石墨烯的非極性結構，使得它們容易團聚。

離子導電材料是典型的柔性和可拉伸的導電材料。離子液體和離子凝膠是離子導電材料的主要代表。離子液體具有良好的非揮發性、熱穩定性與不易燃性，在柔性導電材料中有著很高的應用潛力而吸引了廣泛的研究關注。然而，對于智能紡織品領域而言，離子液體需要放在固體裝置或載體（例如催化劑類載體）內，在限制了離子液體使用的同時，將會滿足不了用戶的舒適度需求與市場特定需求。因此，將離子液體引入三維柔性網絡結構中賦予凝膠特性而形成離子凝膠是一種可行方法。通過物理交聯法制備的離子凝膠通常機械強度和力學性能較差，容易在外界應力的作用下產生較大的缺陷。而通過化學交聯法制備的離子凝膠則具有更高的機械強度，并且離子液體對于離子凝膠具有增塑作用，使得離子凝膠具有更高的拉伸性能，并在易于成型的同時保留了離子液體的性質，有利于滿足不同應用環境下的智能紡織品的不同性能需求。

金屬及其氧化物是目前作用最廣泛、存在最普遍的導電材料，其優異的導電性、穩定性、延展性和利于回收的特性被廣泛的應用于各工程應用、電力傳輸領域。隨著可穿戴設備的普及與發展，金屬及其氧化物受限于其孱弱的柔韌性逐漸滿足不了人們的需求。近年來，低維納米結構的金屬及其氧化物，例如納米線、納米顆粒，納米片，則對于可穿戴智能紡織品及其氧化物特別有吸引力。通過簡單的摻雜、沉積、電鍍或絲網印刷工藝，金屬納米材料的納米結構可以有效的提升紡織品的導電性能、導熱能力、比表面積和表面張力，同時也改變了紡織品機械強度和力學性能，使之能更好適應應用場景。除了金屬納米材料以外，液態金屬材料也具有許多優秀的物理性質，例如高流動性、高導電性、高表面張力、自愈能力強等，因此液態金屬材料同樣在可穿戴智能紡織品領域有著巨大的應用潛力。

有機導電材料主要包括了導電聚合物與有機復合材料。有機復合材料是通過在導電聚合物中摻雜無機或有機填料來改善傳統聚合物材料的導電率、加工性和其他物理性質，因此，有機復合材料在可穿戴智能紡織品領域中具有更大的應用范圍。根據填料的種類來分，有機復合材料可以分為無機-有機復合導電材料與有機-有機復合導電材料；無機-有機復合導電材料又可以分為碳基材料/有機復合導電材料（石墨、炭黑、石墨烯、碳納米管等）、金屬材料/有機復合導電材料（鐵顆粒、銀納米線等）。

每一種導電材料都有著自身的優勢與不足，單使用一種材料的設備不可避免地會帶來這類材料使用中的缺點，通過混合使用兩種或兩種以上的導電材料可以充分利用各自的優勢，彌補其劣勢。更有甚者，多種導電材料之間互相協同耦合作用可以進一步提高紡織品的導電性與力學性能，為智能紡織品的應用和普及提供了不同的賽道。

2.2電轉化材料

自供電智能紡織品的能源來源于應用過程中環境中的能量，優異的自供電元件或電轉化材料在一定程度上決定了自供電智能紡織品的能量功率。如何選擇與改性這些電轉化材料、如何降低電轉化材料的使用成本與工藝難度是自供電智能紡織品大規模應用面臨的巨大挑戰。根據自供電設備的工作原理，電轉化材料可分為：用于壓電式紡織品的壓電材料、用于摩擦電式紡織品的摩擦電材料、用于光伏式紡織品的半導體光電材料和用于熱電式紡織品的熱電材料。

目前，用于可穿戴智能紡織物的壓電材料目前已經從無機材料研究到聚合物，再到復合材料結構。HE[37]等通過在導電紡織品上合成ZnO納米棒制備了一種可穿戴壓電納米發電機，通過優化ZnO納米棒的長度與密度，該可穿戴壓電納米發電機能夠產生高達～5 V、0.67μW/cm2的輸出電壓與平均功率密度。不僅如此，HE的工作中成功依靠可穿戴紡織品激活了液晶屏，展示了壓電材料在可穿戴智能紡織品中應用的巨大潛力。考慮到智能紡織品的功能性與耐用性，電輸出性能同樣吸引研究人員的注意。WU[38]等利用靜電紡絲工藝制備了鈣鈦礦晶體修飾的 PVDF 納米纖維基壓電紗。僅用單根壓電紗組成的器件能夠產生281μW/cm3，電輸出得到了顯著改善。所得到的壓電紗線可以進行彎曲、加捻、打結、編織等操作，表現出優異的穩定性和耐久性，展示了其組裝成柔性智能紡織品的潛力。

摩擦電材料的選擇更加偏向于材料本身失去或獲得電子的能力，理論上，兩種摩擦電材料之間的電負性差異越大，摩擦中所產生的電學輸出越高。大多數紡織基材料都屬于摩擦電材料，例如，聚丙烯纖維、尼龍纖維、絲綢、纖維素纖維、聚乳酸纖維等；因此，將PVDF纖維、PDMS、硅橡膠等柔性聚合物材料包裹在作為基底的紗線或纖維上，同樣可以編織成摩擦電式紡織品。FENG[39]等制備了一種具有良好的耐火、耐酸、耐堿性能的基于聚間苯二甲酰胺纖維和碳納米纖維復合的摩擦納米發電機，即使在酸、堿及高溫環境下，其依然具有良好自供電性能。XU[40]等通過開發2D 纖維素微纖維/納米纖維/銀（CMFs/CNFs/Ag）多級納米結構網絡，提出了一種自供電醫療保健摩擦納米發電機可用于去除PM 2.5，殺死細菌，并監測呼吸狀態。事實上，摩擦電材料的選擇是廣泛的，材料的摩擦起電系列的位置決定了電荷交換的效率，可無論使用什么材料，制成的智能紡織物的摩擦電材料都需要具有柔韌性、機械強度高、透氣性好等特點。

用于智能紡織品的光伏材料主要包括了光伏薄膜與光伏纖維，光伏薄膜又分為了無機光伏薄膜與有機光伏薄膜。NOCITO[41]等設計了一種低成本的可卷曲的光伏遮陽棚，該基于無機氧化物的光伏薄膜具有透明的PTFE保護層，并通過層壓集成在丙烯酸遮陽織物上，其具有長期穩定性。而有機光伏薄膜具有更多優勢，例如柔韌性、輕薄性、制備工藝簡單等。WILLIAM[42]等設計了一種基于機織布的有機光法電池的柔性、透明電極，該電極由聚合物纖維和編織成網狀的集流金屬線組成，其獲得的功率轉換效率為3.1%。光伏纖維可以從光伏薄膜上分割紗線、光伏材料紡絲來生產，然后將光伏纖維通過編織、針織、刺繡等方法制成紡織品。AYAT[43]等通過單相靜電紡絲法成功制備了Cs2SnlxCl6-x 納米纖維，用于光伏和光電領域，使用該納米纖維的紡織品具有高比表面積、高長徑比和低密度的特點。

熱電式智能紡織品的熱電轉換效率主要取決于熱電材料的熱電轉換效率。無機材料在熱電材料中具有重要的地位，例如目前最成熟的熱電材料之一Bi2Te3。SUN[44]等利用兩步熱拉伸法制備了微納米Bi2Te3基纖維，纖維表現出超低導熱性和高導電性，促進了對熱電發電機的研究與供電可穿戴電子設備的發展。除此之外，考慮到可穿戴智能紡織品對于熱電性能與延展性需求，具有延展性的無機材料（例如InSe，AgCu，AgSe，AgS等）亦引起了研究人員的注意。與無機熱電材料相比，碳材料與導電聚合物在熱電發電機、智能紡織品中表現出廣泛的應用潛力。JIN[45]等利用靜電噴涂法制備了一種碳納米管纖維，該方法制備的碳納米管纖維的最終塞貝克系數可達51.5μV · K-1，并且可以反復洗滌和變形，而不改變電導率。 LI[46]等使用 DMSO、離子液體和 PEDOT：PSS作為涂層材料制備具有柔韌性的熱電發電機熱電紗，功率高達24.7μW m-1· K-2，所制備的熱電發電機織物可用作智能醫療應用和監測的可穿戴電源。

3 自供電可穿戴智能紡織品的分類

智能紡織品可以根據結構尺寸和制造技術進行分類。如圖2所示，根據結構尺寸分類，智能紡織品主要分為一維、二維和三維結構；根據制造技術分類，智能紡織品主要分為針織，梭織和非織造方法。

纖維是紡織品的基本組成部分。考慮到纖維較高的長徑比，我們可以把短纖維定義為零維纖維；通過加捻、纏繞或混紡的方法，零維纖維（0D）可以沿軸向方向組裝或互鎖組成一維紗線（1D）；利用傳統的紡織技術或者粘合劑可以將多個1D紗線組合成二維織物（2D）或三維立體織物（3D）。相比于1D紗線和1D纖維，2D織物和3D織物具有具有更加優異的穩定性、可拉伸性、透氣性和保暖性，因此，提高了智能紡織品的結構完整性、尺寸穩定性和保暖性，進一步拓展了智能紡織品的應用領域。

2D 或3D 紡織品主要具有針織和梭織兩種織造方法，梭織物又稱為機織物，根據組織結構的不同可以分為平紋、斜紋、緞紋等；針織又包括經編與緯編。梭織織物是是把經紗和緯紗相互垂直交織在一起形成的織物。針織織物是用織針將紗線或長絲構成線圈，再把線圈相互串套而成的織物。除此之外，還有一種通過非織造織法制備的非織造織物，通過機械、化學、粘黏或熱處理可以將多層纖維、紗線粘合成為無紡布。

1D 紗線基智能紡織品，一般可以通過簡單的工藝（如溶液涂覆、濕法紡絲、靜電紡絲、熔融紡絲、3D打印等）制備或者直接由短纖維加捻、纏繞而成，其形態可以大致分為纖維、紗線、線等。通常來說，智能紡織品的1D紗線可以是在導電芯層紗外包裹一層自供電紗線材料得到芯-鞘結構的復合結構紗線，也可以多層結構的復雜復合紗線，其具有的高力學強度與高穩定性特點決定了其廣闊的應用空間。ZHANG[47]等通過將可拉伸導電紗線表面的PVDF-TrFE納米纖維連續加捻成費馬螺旋結構，從而實現了一種超高耐磨性、高可逆應變的1D電紗線，其具有優異的輸出性能（105 V， 1.25 W · m-2），并在手勢識別、智慧屏幕等領域中展現了良好的潛力。ZHENG[48]等通過同軸濕紡法連續制備了一種高電導的銦鎵合金（LM）護套芯微纖維，這種 LM 護套芯微纖維具有極高的機械性能（最大應變，～1170%）與電輸出性能，在智能纖維、電熱致變色、自供電傳感領域有著廣闊的應用前景。

考慮到1D紗線基智能紡織品的電輸出面積有限，且結構穩定性、尺寸穩定性較差的特點。

將多個1D紗線基智能紡織品通過編織、機織、針織等成型方法可以紡織成2D 紡織基智能紡織品，從而提高整體的電輸出性能與穩定性。除此之外，通過物理、化學或熱處理可以將多個1D紗線基智能紡織品粘合在一起成為無紡布，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2D紡織基智能紡織品。SHI[49]等通過棉線將導電纖維和發光纖維紡織成了具有陣列化智能發光單元的智能紡織布，這種紡織物展現了優異的可拉伸性、耐磨性和透氣性。每個智能發光單元都可以單獨驅動電路、身份識別和照明，甚至用于通信工具。DENG[50]制備一種基于纖維素纖維的智能紡織品多功能傳感器，通過將新型的動態肖特基二極管發生器和纖維素紡織品編織在一起。此外，通過引入一種油封界面工程，智能紡織品的工作壽命得到提升，采用分層結構纖維素纖維，展現了具有與日常服飾優異的兼容性。

2D 紡織基智能紡織品的結構相對簡單，編織方法多樣成熟，并有現代工藝兼容性大，因此目前市場上已經出現廣泛的應用，例如服裝品牌李維斯的智能牛仔褲，服裝品牌阿迪達斯的智能背包等。然而，為了進一步提高自供電紡織品的功率量級、壓力靈敏度、比表面積與結構尺寸完整性，在傳統的2D紡織基智能紡織品上可以通過添加額外維度的紗線進一步紡織成3D紡織基智能紡織品。WEI[51]等利用針織工藝和刺繡工藝實現了一種全紡織結構的自供電傳感網絡（SMN），與2D 織物相比，SMN 具有更高的靈敏性，此外，還開發了一種輔助康復訓練系統，為智能個性化醫療智能紡織品提供新的途徑。 KWON[52]等制備了一種具有蜂窩結構的3D織物用于改善摩擦納米發電機的輸出性能，多種編織方法給予了這種3D 織物優異的橫向拉伸與彈性，有望為下一代可穿戴智能紡織品和睡眠監測傳感器的商業化做出貢獻。

4自供電可穿戴智能紡織品的應用

結合了傳統紡織品和現代智能電子設備的優勢，自供電可穿戴智能紡織品具有廣泛的應用領域。圖3-圖6總結了潛在的、已經實驗室規模驗證的、走向市場化的具體應用。需要說明的是，這些領域都是目前自供電可穿戴智能紡織品領域廣泛存在并被認可的應用，有望進行大規模的工業化生產和標準化設計。未來自供電可穿戴智能紡織品的發展應該根據其特點進行更多的選擇，而并非局限于以上領域。希望這些相對詳細和可靠的知識，可以為自供電可穿戴智能紡織品的發展提供幫助和設計靈感。

4.1應急式自充電電源系統

在物聯網時代中，便攜式、分布式的微傳感器和智能的可穿戴電子設備豐富和改變了我們的日常生活。受限于這些電子設備的可移動、廣分布及低功耗特性，便攜式及分布式能源顯得尤為重要。就目前電子市場而言，可穿戴電子設備多采用便攜式電池或超級電容器，然而，商用電池有限的壽命、超級電容器嚴重的自放電現象、有毒化學物質都可能會限制它們在可穿戴電子設備領域中的應用。在傳統的可穿戴電子產品中部分或全部集成自供電可穿戴智能紡織品，可以合理地利用人體或周圍環境的能量，例如，生物機械能、體溫、光能、風能等，有效地提升了可穿戴電子產品的續航能力與功能性。然而，雖然研究人員將自供電可穿戴智能紡織品的輸出功率提升到了一個令人震驚的高度，但是剛性整流橋、能量管理電路模塊、內阻不匹配、電子開關等問題，依然影響著自供電可穿戴智能紡織品作為應急式電源的發展前景，這依然需要研究人員繼續投入。

CHENG[56]等通過將摩擦電自供電紡織品和小型化能量管理模塊集成為直流摩擦電織物（DC-TPT），成功將工作阻抗從200 MΩ降到了1.6 MΩ ， 僅僅通過1.6 s 的滑動并可以為手表提供172 s的工作用電，并可以實時點亮4個30 W 的蝶形燈泡，極大地促進了可穿戴智能紡織品在應急式自充電電源系統領域的實際應用。JIANG[57]等以水性聚氨酯作為粘結劑制備了高強度、高機械性能的碳納米管復合紗線（CNTYs），并通過p型和n型CNTYs制備了具有75個 p-n 結的熱電紡織品用于可穿戴電子設備。該熱電紡織品可以實現出色的熱電性能，在32 K的溫差下可以實現95.74μW · m-2的功率密度和3.76 V · m-2的電壓密度。佩戴在手臂上時，熱電紡織品可以在室內產生～20 mV 的輸出電壓，在室外時可以產生～45 mV的輸出，可用于應急式自充電電源為LED燈、定時器等微小電子設備供電。WANG[58]等制備了一種用于光熱能利用與驅動紫外線照射的智能紡織品，還可以通過控制人體運動的實時頻率、強度和持續時間來調節電輸出與光能大小，并進行熱管理。 WANG[59]等開發了一種通用的可擴展制造工藝的自供電交互式電子器件，該纖維式電子器件具有優異的電輸出性能，可以作為應急電源被編織進入智能紡織品，即使在75%的高濕度環境中運動時，也能將人體生物能轉化成電能。

4.2個性化健康醫療

近年來，隨著人工智能和物聯網的普及，大眾化的服務漸漸滿足不了所有群體的需求，常規醫療保健需要一種具有預測性、預防性與針對性的個性醫療服務。可穿戴智能紡織品因為其覆蓋面積、全天候監測的特性正在成為個性化醫療保健的重要組成部分。用于個性化醫療及監測的可穿戴智能紡織品可以用于監測并記錄人體個體的生理參數與行為，并及時提供治療服務與預警，這一定程度上改善了傳統醫療體系的弊端。盡管如此，研究人員應該專注于應對用于個性化醫療及監測的智能紡織品領域的挑戰，例如材料選擇（透氣性、生物相容性、壽命）、供電效率（自供電纖維材料）、功能性質（柔韌性、導電性、穩定性、耐磨性、生物降解性、自愈性或透氣性）、工業化及產業化等。

考慮到自供電智能紡織品全天候工作、工作環境廣的特性，其可以應用于心跳、脈搏波及呼吸等生理參數的監測。MENG[60]等使用聚酯紗和尼龍紗制備了人體生理參數傳感器，該傳感器具有高靈敏度（3.88 V/kPa）和高堅固性可以精確的監測老年人的脈搏波信號。在此基礎上， MENG進一步開發了生物監測系統和智能APP，能夠進行整夜連續脈搏波監測與呼吸暫停監測，證明了智能紡織品在個性化醫療監測系統領域的巨大潛力。ZHI[61]等使用PVDF@MXene納米纖維與Ag@Nylon 66納米纖維制備了一種具有生物相容性和抗菌的自供電透氣可穿戴電子紡織品，用于超靈敏度的運動及脈搏監測，并在觸覺傳感器陣列、可穿戴智能鍵盤領域展現出巨大的潛力。SU[62]等制備了一種受肌肉纖維啟發的無紡布壓電智能紡織品，用于可穿戴生理監測。通過將聚多巴胺（PDA）分散到鈦酸鋇/聚偏二氟乙烯（BIO/PVDF）納米纖維中，壓電智能紡織品展示了多種潛在應用，包括脈搏監測、人體運動監測和主動語音識別。LIU[63]等利用炭黑涂層尼龍、鍍銀尼龍和彈性氨綸紗線制備了的芯-護套感應紗線，具有優異的焦耳熱性能、應變靈敏度和出色的線性度。可以幫助監測、緩解與治療關節疼痛，并增加運動范圍。

皮膚是人體的重要器官，受皮膚特性的啟發，多功能結構的電子皮膚應運而生。隨著自供電智能紡織品的快速發展，電子皮膚被認為是先進生物醫學技術的一個有前途的平臺，它能像人體皮膚一樣擁有多種感官功能，例如熱、壓力、濕度等，同時還可以監測人體的行為參數，例如壓力、應變、彎曲及振動等。ZHANG[64]等通過靜電紡絲構建了一種超薄超輕（9μm）的微錐陣列基電子皮膚，該電子皮膚由PVDF纖維單步自組裝而成，并具有卓越的性能（105.1μC · m-2）、隱蔽性、高靈敏度（19 kPa-1）、超低檢測限（0.05 Pa）和超快響應的特性，在日間輻射冷卻、壓力傳感和生物力學能量收集等領域擁有極大的潛力。 FANG[65]等報道了一種新型的摩擦電全紡織傳感器陣列，具有較高的壓力靈敏度（7.84mV · Pa-1）、較寬的工作頻率、快速響應時間（20 ms）和穩定性與可機洗性。通過將傳感器陣列與織物集成，可以實時監測脈搏信號與呼吸信號，同時開發了用于了心血管疾病與睡眠呼吸暫停綜合征的長期無創評估健康監測系統。

除此之外，自供電智能紡織品具有良好的透氣透濕性與穿戴舒適性，與傳統的薄膜基、凝膠基可穿戴傳感器相比，有效的減少了皮膚刺激和皮膚炎癥的發生幾率；高靈活性允許其可同時供家庭和臨床連續使用，而不同自供電機理允許智能紡織品對于不同生理參數（心率、汗液、溫度、呼吸等）都有著較高的傳感靈敏度，同時，對于不同物理參數（觸覺、溫度、濕度和光線等參數）也有著較高的靈敏度。此外，以智能紡織品為基礎的機械外骨骼、輔助康復訓練和心電片等輔助技術應用在研發人員的努力下，在快速更新升級及工業化、產業化的道路中蓬勃發展。

4.3 自驅動安防監測

近年來，尤其是隨著信息社會與國際形勢的快速變革，消防安全、信息安全、訪問安全已經成為了一個不可避免的問題，尤其是在個人安全、商業安全、軍事安全領域通過開發自供電的身份識別系統、個人身份特征電子皮膚、電致變色智能窗等可穿戴智能紡織物，可以更好地完善已有的安防監測系統。與傳統的安防監測系統相比，基于自供電可穿戴智能紡織物具有更加優異的安全性（用于身份識別的生物機械能信號、光能與熱能信號）、響應時間和穩定性。同時，自驅動安防監測系統在實際應用中也具有更多的優勢與挑戰。在未來的研究中，開發高度柔韌性、耐用且安全性高的安防監測系統、平衡身份特征信號和器件生物相容性、完善安防監測系統的工作穩定性是目前面臨的主要挑戰。

MA[66]等利用阻燃纏繞紗線和3D 蜂窩結構編織法制備了織物基摩擦納米發電機，優異的機洗性、透氣性、阻燃性與耐久性的智能紡織物可以與傳統紡織工藝兼容，用于自供電逃生的智能毛毯，可以幫助使用者精確的選擇逃生路線并協助消防人員搜救。YIN[67]等采用了多模塊生物能源電子紡織微電網系統（基于汗液的生物燃料電池，基于摩擦電收集生物機械能）與超級電容器系統，能夠連續有效的為電致變色顯示系統提供電能；所有模塊均采用印刷、紡織、耐用且靈活，并且可以很容易地集成到襯衫上，所有能量完全依賴于人類活動的能量輸入，可以用于可視化的實時人體行為監測。WANG[68]等通過溶劑蒸發法制備了電致變色記憶微膠囊（ECM-Ms），其中碳酸二苯酯作為固體溶劑。然后采用 ECM-Ms 制備了多色多級響應電致變色記憶可穿戴智能紡織品，該智能紡織品可以在沒有任何外部電源的情況下記憶三種顏色至少72小時，可以應用于汽車安保系統的柔性變色材料。DONG[69]等開發了一種基于3D五向編織結構的可穿戴智能紡織品，并實現了高柔韌性、形狀適應性、結構穩定性的優點。這種智能紡織品具有良好的透氣性與壓力靈敏度，可以作為無源智能鞋類監測體系與用于保護私人住宅、重點場所入口的自供電身份識別地毯。CHENG[70]等開發了一種抗菌、防護紫外線和輻射冷卻性能的智能紗線，包括了導電不銹鋼組成的包芯紗線，抗紫外線棉紗線和聚乙烯紗線。用這些復合紗線織造的織物不僅具有出色的紫外線防護能力，而且還有優異的個人溫度管理性能，在個性化保護領域展現了巨大的潛力。MA[71]展示了一種用于個人自驅動安防領域的智能防化防護服，可以實時保護身體免受化學傷害，并監測化學品泄露，在緊急情況下可以觸發警報。除此之外，智能防化防護服對酸、堿、腐蝕性液體具有很高的靈敏度，在高風險環境中擁有巨大的潛力。

4.4人機交互微系統

新型的可穿戴智能紡織品提供了一個無縫、透氣、全身和智能的人機交互平臺，可以用于監測、分析、存儲、傳輸人體相關生理參數、接收并響應簡單的復雜的命令。可穿戴智能紡織品相比于傳統剛性器件而言，具有許多理想的優勢：（1）智能紡織品的編織方法、編織材料可選擇性高、并具有良好的可拉伸性、透氣透濕性、生物相容性、外形自由度和可升級性。（2）作為一個無縫、透氣、全身和智能的人機交互平臺，可以廣泛的監測環境中的機械信號、溫度信號、光學信號、生物信號及聲音信號等。（3）可大規模制備與集成。

CHANG[72]等使用 PU 芯和ZnS@Cu/PDMS 殼組成連續機械發光（ML）纖維，并將纖維編織成紡織品用作于人機交互接口、醫療保健的可穿戴設備。該復合纖維具有光滑的表面結構、優異的發光性能、高亮度和高穩定性，在人體運動的刺激下可以發出可見光信號。MA[53]等通過將嵌入光學纖維和PDMS貼片集成在紡織品上制備出了一種光學驅動的可穿戴人機交互智能紡織品。得益于紡織物的觸感和織物結構，在機械學習的分類下，識別準確率高達98.1%。在高靈敏性和快速響應的情況下，光學智能紡織品可以應用于遙控機械手和智能機器人。GOGURLA[73]等設計了一種生物相容性、可變形、多功能及可以與服裝集成的電子紡織系統，電子紡織系統在機械形變和水洗的條件下依然能保持穩定的電學輸出，并以連續、精確和非侵入性的方式監測電生理信號和觸覺運動，并具有用于人機交互體系應用的潛力。CHEN[74]等設計了一種低成本、自動化制備的編織電子線。這種編織電子線具有較高的隱蔽性能，可以與生活中的各種場合融為一體，實現難以察覺、可設計和可擴展的人機交互用戶界面，在多特征融合算法的作用下，可以識別不同位置、不同區域和不同動作的手勢，并實時反饋給交互式終端。DONG[75]等利用排汗和發光的超彈性無紡布紡織品制備了超拉伸智能電子紡織品，可以用于全面的個性化健康監測和人機交互系統，在監測人體的生物力學和生物電信號的同時，也可以進一步用于操縱機械爪。

5結論與展望

本文對自供電可穿戴智能紡織品進行了簡要的介紹，并對自供電可穿戴智能紡織品的自供電機理進行了詳細討論。為了給自供電可穿戴智能紡織品提供設計指導，本文還詳細的總結了可穿戴智能紡織品的材料選擇、尺寸結構和主要應用領域。雖然在實驗室規模的理論研究和應用驗證方面，自供電可穿戴智能紡織品領域取得了極大的進步，但是其距離實際商業化與產業化還有很長一段路要走，自供電可穿戴智能紡織品的未來發展需要深度的考慮，許多潛在的困難和挑戰還需要科研人員和產業人員共同努力，例如材料選擇、機理性質、加工工藝、商業工業化等。圖7展現了在未來發展和走向市場應用所存在的關鍵性問題和挑戰。

（1）自供電可穿戴智能紡織品的要求，例如高靈敏度、自清潔、自修復和生物相容性。通過改進功能材料與基底材料的耐洗性、透氣性、顏色款式和柔軟度，可能會讓智能紡織品更加容易被大眾接受和選擇。自供電可穿戴智能紡織品通常集成了具有更多功能與制備材料的功能器件（如電致變色智能窗、LED指示燈等），采用輕質的導電材料，通過減輕材料質量以提高舒適度可能會幫助解決這類問題；此外，智能紡織品的纖維需要合適的孔徑，在保證透氣性和透濕性的同時保留了傳統紡織品防寒抗凍、減少皮膚磨損、減少纖維刺痛感與防纖維氧化的特性。同時，這些功能器件的封裝材料需要優異的密封性能，以防器件破損、內部液體或材料外露對人體造成傷害。這些材料性質和材料結構特性的研究會使自供電可穿戴智能紡織品更好應用到現代社會中。

（2）從自供電技術的選擇與改進的角度來看，自供電技術的引入可以實現先進的可穿戴智能紡織品在可持續發展領域應用（自供電單兵作戰服、自供電個性化醫療監測系統等）。智能紡織品的自供電平臺（壓電、摩擦電、光伏、熱電）需要更加優異的長期功效、長期穩定性與操作簡易性。就目前而言，由于自供電技術的機理各不相同，所適用的工作環境也將產生局限性；此外，自供電技術的電輸出性能有限，在保證輕質的前提下，還需要增加有效工作面積或集成多種自供電發電機來提高足夠的電量。部分電子產品，尤其是精密電子產品需要一個穩定、持續、直流的電學輸出，因此，智能紡織品還需要科學的集成整流橋和恒壓器來確保電學輸出效果、建立標準化的智能紡織品工作電壓/電流。同時，自供電模塊的機械耐久性和工作耐久性也值得研究人員進行大量的研究。

（3）從加工、集成工藝的角度來看，將多種紡織品、功能性設備通過合理的設計相集成是制備先進的智能紡織品的重要手段。現階段，智能紡織品多以單一功能為主，以個性化醫學輔助治療應用為例，智能紡織品通常針對人體的某一部位進行單獨的診斷（呼吸、脈搏、心率、行為監測等）或治療（藥物釋放、輔助機械臂等），這種單一功能、單一領域的應用往往不能滿足當代人類的需求。因此，智能紡織品需要開發配套的輔助系統與云端軟件，例如，開發云端分析平臺或局域網，通過藍牙或無線網技術讓用戶及醫護人員實時掌握患者的各處生理參數；除此之前，開發具有同時診斷與治療的可穿戴智能紡織品可以更好的幫助患者、完善個性化醫療體系。

（4）從商業化、產業化及工業化的角度來看，相比于傳統的可穿戴電子設備、可穿戴紡織物相比，自供電可穿戴智能紡織品的發展目前僅在實驗室模板進行研究和應用驗證。為了更好的推動其產業化及工業化，這需要明確自供電可穿戴智能紡織品的產品性質，例如產品標準化定義、產品標準化生產、產業鏈創造、規模化制備和產業化驗證等。從商業化的角度而言，自供電可穿戴智能紡織品需要擁有更好的生物相容性、耐腐蝕性、柔順性、耐洗性以迎合市場需求，同時，減少稀有或限制材料的使用以降低產品成本。所有上述改進都有利于自供電可穿戴智能紡織品工業體系的搭建與發展。

綜上所述，雖然這些尚未解決的問題與挑戰會阻礙自供電可穿戴智能紡織品在各行各業的發展與應用，但是越來越多科學家、工程師、相關行業人員的關注與其快速的發展速度是目前不可阻擋的趨勢。我們希望上述的介紹與展望將有助于該領域研究人員克服目前存在的一些重大問題，同時，我們也希望上述觀點有助于推動自供電可穿戴智能紡織品的蓬勃發展和應用。

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（責任編輯：孫婷）