背景

     一件酷酷的夾克衫，不僅穿起來讓人感覺既輕便又舒適，而且重要的是，還可以產生和傳輸電能，讓你在夜晚跑步時，穿上它以后閃閃發光。這聽上去有點像科幻小說和電影中的場景，但是不久的未來，這一切都將變為現實。

    對于這種智能衣服和紡織品，筆者之前在《新型紡織品利用太陽能和風能為可穿戴電子產品供電》一文中有過介紹，喬治亞理工學院的研究人員開發了一種紡織物，它結合了兩種電力生產方式：轉化太陽能或者動能成為電力。未來，使用這種織物做成的服裝，可為例如智能手機或者GPS系統的智能電子設備供電。

    這種纖維織物是由輕質聚合物纖維，以及纖維納米發電機組成的太陽能電池編織在一起，它和今天我們要介紹的創新有一樣的原理：摩擦起電效應，使用由例如旋轉、滑動、振動等物理運動引起的摩擦起電效應和靜電感應，產生少量電能。

    （圖片來源于：喬治亞理工學院）

    創新  

    下面看看我們今天要介紹的創新，最近美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校的材料科學家 Trisha Andrew 和同事們進行了創新，試圖打造這樣的一種智能夾克衫。他們發明了一種新方式，將透氣、柔韌、不含金屬的電極，集成到織物和成品衣物上，不僅觸感很好，而且能傳輸足夠的電力，為小型電子設備供電。

  涂有PEDOT的紗線，作為“普通”的線，從墻上的插座將電力傳輸到熾熱的燈泡中。

    （圖片來源于：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）

    他們的論文于本月發表在線版的《高級功能材料》雜志上。 對于這項創新， Andrew 說：

    “我們實驗室在紡織電子方面進行研究，我們致力于構建一種材料科學，你可以交給我們任何你想要做成的衣服，任何面料，任何紡織方式，我們將會將它變成一種導體。這種導電紡織品可以集成到復雜的電子設備中。例如，有一項應用就是吸收人體運動的能量，然后將它轉化為電能。當你每次運動時候，它都可以產生電能。”

    技術

 三種不同的織物，可將拉扯或者輕拍的動作產生的能量轉化為電能。
 

（圖片來源于：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）

    摩擦生電

    這項創新的核心技術，根據 Andrew 的解釋，就是摩擦生電。通過層與層之間的相對運動，即不同的材料之間進行摩擦，材料將會帶電，如同干燥冬天，我們拿一把梳子在毛衣或者頭發上摩擦一樣，都會產生電力。 當人們保持摩擦相對運動時，會產生出幾微瓦的電力。

    氣相沉積法

    Andrew 和她實驗室的博士后研究員 Lu Shuai Zhang 在論文中描述，他們采用的是氣相沉積法。通過這種方法，他們為纖維織物涂上導電聚合物：聚（3,4-亞乙二氧基噻吩） “3,4-ethylenedioxytiophene”，簡稱為“PEDOT”，進行平紋編織。

    直到最近，科研人員指出，紡織品學家傾向于避免使用汽相淀積法，因為技術上困難，以及成本較高，難以將規模擴大，超出實驗室范疇。但是，過去10年以來，產業界例如地毯制造商和機械零部件制造商已經展示了這項技術可以用于量產，并且很劃算。

    測試

    研究人員報告的測試結果包括：導電性、織物穩定性、PEDOT 薄膜的化學和機械穩定性、14種織物紡織參數對電導率的影響 ，其中包括五種不同編織的棉布、亞麻布和絲綢。

    對于測試結果，Andrew 說：

    “我們文章描述了制造這些強健的導體所采用的材料科學。我們展示了它們對于洗，擦，人的汗水和大量的磨損，都具有很強穩定性。”

    當我們用手去觸摸涂有PEDOT 涂層之前和之后的織物，手感并不會發生任何變化。纖維織物的重量由于涂層引起的增加不超過2%。

    價值

    對于這項研究的價值，Andrew 這么評價：

    “我們有很強的動機，去使用一些目前已經熟悉的產品，例如棉線和絲線、纖維織物和衣物，讓它們自然地和新技術相結合。對于消費品來說，這是一個巨大的飛躍，因為你無需說服他人，穿上和現有的東西不一樣的產品。”

    從中可以看出，這項技術將和現有衣服和紡織品結合，制作可穿戴設備電子設備。這樣的設備穿戴在身上時，將更加自然舒適，不讓人感覺像是佩戴了一個多余的產品。

    另外，這種導電織物耐拉伸、耐磨損，洗滌后或者熨燙后保持穩定。他們記錄下的最薄的涂層差不多是500納米，差不多是人類頭發絲直徑的十分之一，并且保持良好的纖維織物手感。

    這種智能紡織品能夠傳輸電力，可用于遠程監控健康數據，特別是在軍事和醫療等領域的價值，將不斷提升來說。

    未來

    Andrew 是馬薩諸塞大學安姆斯特分校應用生命科學研究所個性化健康檢測中心 （IALS）可穿戴電子方面的主任。這個月所報告的基礎工作已經完成，她的實驗室也在現成的健康胸罩上，制作了一個可穿戴的心率監測器，其中他們添加了8個電極。他們不久將讓志愿者在跑步機上佩戴測試。

    她解釋道，醫院的心率檢測器有12個電極，而我們今天佩戴的普通手環只有一個，所以這樣的健康監測手環很容易誤報結果。他們單獨測試了具有8個電極的文胸，或者加上打底褲，再增加四個電極，然后通過控制查看監測傳感器能否達到醫院級的準確度和靈敏度。作者在論文中稱，這種柔性可穿戴電子設備，代表人機接口的最前沿技術，具有最先進的生理監測效果。

    未來，Andrew 說：“你給我們任意一件衣服，我們將會把它變成太陽能電池，這樣你在陽光下行走，照射在衣服上的太陽能可以存儲在電池內，或者為小型電子設備供電。”

    科研人員相信這種氣相涂層能夠通過一種稱為“表面移植”的工藝，粘連到纖維織物上，它將利用表面游離的粘合劑，化學綁定到聚合物涂層的一端，但是他們目前還沒有完全研究好。

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責任編輯：王元

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    三種不同的織物，可將拉扯或者輕拍的動作產生的能量轉化為電能。