目前，許多可穿戴生物傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)射器以及類似的個(gè)人健康監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)非常先進(jìn)，并且體積越來越小。但是，這些設(shè)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(guó)馬薩諸塞大學(xué)材料化學(xué)家Trisha Andrew和她的博士生Linden Allison的一項(xiàng)最新研究表明，他們現(xiàn)已研制出一種新型面料，可以采集人體熱量，為活動(dòng)追蹤器等小型可穿戴微電子設(shè)備提供動(dòng)力。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生能量，這是一種“熱電效應(yīng)”。具有高導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性的材料可以通過這種方式將電荷從溫度較高的區(qū)域轉(zhuǎn)移至溫度較低的區(qū)域。

研究表明，人體在每天8小時(shí)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(chǎn)生較高熱電壓，可以驅(qū)動(dòng)小型設(shè)備正常運(yùn)行。”

在這項(xiàng)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(shè)備上保持溫度梯度。該電子設(shè)備甚至可以在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穿戴的情況下，將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)可行的方案，能夠確保導(dǎo)電材料在電、機(jī)械和熱能方面持續(xù)穩(wěn)定。

Trisha Andrew說：“本質(zhì)上，我們利用了面料的基本絕緣性能，解決了設(shè)備行業(yè)長(zhǎng)期存在的一個(gè)問題。”

具體而言，他們將一種導(dǎo)電聚合物——持續(xù)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(gè)特殊設(shè)計(jì)的可穿戴環(huán)上，當(dāng)人們將這個(gè)環(huán)佩戴在手上時(shí)，可以產(chǎn)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(píng)估PEDOT-Cl涂層的耐磨性，同時(shí)通過掃描電子顯微照片評(píng)估該涂層的性能。結(jié)果表明這種涂層沒有裂紋、分層，經(jīng)過機(jī)械洗滌不會(huì)磨損涂層，能夠確認(rèn)蒸汽打刷PEDOT-Cl涂層的機(jī)械強(qiáng)度。

隨后，他們使用特制的探針測(cè)量了涂層表面電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)松散織物比緊密織物表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率。他們強(qiáng)調(diào)稱，這兩種織物的導(dǎo)電性在摩擦搓揉和機(jī)械洗滌之后基本保持不變。

研究人員使用熱成像攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)，志愿者的手腕、手掌和上臂散發(fā)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(huán)，可穿戴在這些身體部位。他們指出，環(huán)狀裝置暴露在空氣中的外側(cè)部分通過紗布厚度與體溫隔絕，而只有未涂層的一側(cè)與皮膚接觸，從而降低對(duì)PEDOT-Cl的過敏反應(yīng)。

研究人員注意到流汗顯著增加了彈性臂環(huán)的熱壓輸出，這一點(diǎn)并不奇怪，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)，濕棉花是被認(rèn)為比干織物更好的導(dǎo)熱體物質(zhì)。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(guān)閉熱量傳輸。

“與傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備相比，反應(yīng)蒸汽涂層工藝在低溫下產(chǎn)生具有顯著較高溫差電勢(shì)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(shè)計(jì)中的最佳實(shí)踐。”Trisha Andrew說。