具自主傳感的感溫纖維集成智能運動(dòng)服裝解決方案

　　智能服裝在人體監控和可穿戴領(lǐng)域顯示出良好的潛在應用價(jià)值。然而，目前大多數可穿戴傳感器不能與普通服裝無(wú)縫集成。它們直接粘附在人體皮膚上或包裹在織物中，導致穿著(zhù)體驗不佳?；诩徔椘返娜嵝詡鞲衅饕蚱涫孢m性而成為智能服裝的潛在候選?；诩徔椘返睦硐雮鞲胁牧蠎撌且路囊徊糠?，不需要任何硬部件。因此，將可穿戴傳感器與服裝集成，甚至從根本上將其做成集成服裝是非常必要的。

 

　　最近，研究人員在美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表了一篇文章，通過(guò)微流體紡絲制備了具有自誘導和自冷卻性能的多尺度無(wú)序多孔彈性聚氨酯(MPPU)纖維。借助于負載在MPPU纖維上的石墨烯納米片，實(shí)現了對服裝的實(shí)時(shí)傳感，纖維的多尺度無(wú)序多孔結構賦予了織物優(yōu)異的自冷卻性能。該一體化智能運動(dòng)服可以測量體溫，跟蹤肢體運動(dòng)，采集人體微小的生理信號，并具有自冷能力。

 

　　纖維制備:如圖1所示，采用基于相分離的微流體紡絲法形成MPPU纖維。設計的聚甲基丙烯酸甲酯芯片采用同軸流道，三個(gè)入口通道用于纖維制備。芯流道注入聚氨酯(PU)/二甲基亞砜(DMSO)紡絲液，對稱(chēng)鞘流道注入非溶劑(去離子水/DMSO，5:1(v/v))?；诜侨軇┱T導相分離原理，纖維凝膠可以在同軸流道中固化。具體來(lái)說(shuō)，當分散的聚氨酯分子鏈在同軸通道中遇到非溶劑時(shí)，去離子水和二甲基亞砜溶劑之間的快速擴散導致聚氨酯鏈的聚集以及與二甲基亞砜和宏觀(guān)纖維的相分離。同時(shí)，“流體動(dòng)力聚焦和排列”效應導致聚合物分子沿流動(dòng)方向排列。制備的MPPU纖維可以連續纏繞在滾筒上收集。MPPU纖維表面光滑，內部多尺度無(wú)序多孔結構。

 

　　具有多尺度無(wú)序多孔結構的溫度傳感纖維的自冷卻性能:如圖2所示，在相同的加熱階段比較纖維(MPPU、棉花、商用萊卡)及其織造織物。紅外熱像分別記錄在30、45和60℃的臺面溫度下。結果表明，MPPU10的顏色對比度最低，溫度與表溫最接近，說(shuō)明樣品的散熱性能最好。此外，在這些織物在加熱(20-40℃)和冷卻(40-20℃)期間的實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)中，MPPU10顯示出非?？斓募訜岷屠鋮s能力。

　　圖1多尺度無(wú)序多孔彈性纖維制造示意圖。(一)微流控紡絲工藝和纖維形成機理。和(b)微流體芯片的通道圖案的光學(xué)圖像。(c)收集的MPPU纖維和(d)具有扁平結構的輕質(zhì)織物。從縱向觀(guān)察的機織物的掃描電鏡圖像和MPPU纖維。(g–I)不同放大倍數下纖維的徑向橫截面。

 

　　圖-2-2mPPU光纖的自冷卻性能。(a，b)MPPU、棉花和商用萊卡分別在30℃、45℃和60℃時(shí)的自冷卻行為(環(huán)境溫度為28℃)。(c，d)不同織物在20至40℃之間的動(dòng)態(tài)加熱/冷卻下的溫度曲線(xiàn)。(e，f)加捻纖維或機織物與背景表的絕對溫差(|δt|)。

 

　　自主傳感能力:如圖3所示，通過(guò)在MPPU纖維上負載石墨烯導電墨水，可以得到石墨烯改性的MPPU(g@mppu)纖維，纖維可以被拉伸到200%甚至400%。圖3c中的G@MPPU10纖維顯示出高度應變敏感的行為。圖3d中的GF顯示G@MPPU10的GF纖維在大拉伸應變(大于50%)下顯著(zhù)增加，但在小拉伸應變(小于50%)下略有增加。這種傳感器靈敏度高，傳感范圍寬，在全范圍人體運動(dòng)記錄方面有很大的潛力。如圖3h所示，石墨烯修飾的MPPU纖維呈現負TCR行為，隨著(zhù)溫度的升高，載流子遷移率提升，呈現-0.815%/℃的靈敏度，可以監測人體皮膚表面的溫度變化。

　　圖-3G@MPPU光纖的應變傳感(a-g)和溫度傳感(h-j)性能。


　　圖4智能服裝及其在運動(dòng)和生命信號監測中的應用。

 

　　集成智能運動(dòng)服:如圖4所示，智能服裝設計了9個(gè)可能的感官區域，分別標注為傳感器A(頸部監控)、B(肩部監控)、C(胸部監控)、D(腰部監控)、E(手腕監控)、F(手指監控)。通過(guò)單獨或組合使用傳感器A–F，可以記錄和區分細微的生理信號捕捉和肢體運動(dòng)。穿上這款智能運動(dòng)服，可以輕松監控和記錄人類(lèi)活動(dòng)的全方位信息。