全纖維功率紡織品，利用不同的工作原理，如摩擦電、電磁學(xué)和壓電學(xué)來(lái)收集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能。然而，受其工作原理的限制，全纖維功率紡織品通常依賴多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如將不同功能的層進(jìn)行三維堆疊，或?qū)⒑藲そY(jié)構(gòu)的功率纖維編織成層。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅使功率紡織品的能量收集功能單一，而且限制了其功率密度的進(jìn)一步提高。此外，多層結(jié)構(gòu)也對(duì)功率紡織品的穿著舒適性和機(jī)械穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能多樣的新型能量收集技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)智能織物和可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)際發(fā)展至關(guān)重要。
圖1 單層結(jié)構(gòu)全纖維織物及其工作原理
近期，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員、王中林院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種單層結(jié)構(gòu)的多功能全纖維織物來(lái)收集人體機(jī)械能。具體方法是將導(dǎo)電纖維（直徑可以比頭發(fā)絲細(xì)）集成到商用紡織品的任何位置，在不犧牲穿著舒適性的前提下，通過(guò)靜電感應(yīng)原理來(lái)收集紡織品自身摩擦?xí)r界面靜電擊穿產(chǎn)生的靜電能。這種新的能量收集機(jī)制已經(jīng)在他們最近的工作中得到了驗(yàn)證（Sci. Adv. 2024, 10, eado5362）。該單層功率紡織品克服了靜電擊穿對(duì)輸出性能的限制，實(shí)現(xiàn)了高平均功率密度（2 W m-2 Hz-1），是目前全纖維功率紡織品的2倍，此外，安全的靜高電壓（超過(guò)6 kV）創(chuàng)造性地賦予了全纖維織物的空氣凈化和抗菌功能，在收集人體機(jī)械能的同時(shí)促進(jìn)了人體健康。同時(shí)，提出了一個(gè)量化的紡織材料摩擦系列，包含64對(duì)商用紡織材料對(duì)，不僅展示了此策略的普適性，并為大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。最后，展示了其在自驅(qū)動(dòng)智能服裝中的應(yīng)用。該工作以“A Multifunctional Power Textile Based on Interfacial Electrostatic Breakdown”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2025, e09809）。文章第一作者是中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所何禮霞博士和高毅奎博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
圖2 穿戴舒適性測(cè)試
圖3 電學(xué)輸出性能的調(diào)控與優(yōu)化
圖4 商用紡織品材料對(duì)的量化摩擦序列
圖5 應(yīng)用展示
該工作提出了一種全新的全纖維功率紡織品策略，通過(guò)一種簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)，將導(dǎo)電纖維縫入商用紡織品中，以有效地就地收集人體機(jī)械能。用導(dǎo)電纖維代替原有的紡織纖維，既保留了原有的紡織結(jié)構(gòu)，又保持了穿著舒適性，具有廣泛的材料兼容性和可擴(kuò)展性。更重要的是，導(dǎo)電纖維通過(guò)紡織品之間的靜電擊穿效應(yīng)捕獲靜電能量，克服了傳統(tǒng)靜電擊穿對(duì)輸出功率的限制。這一突破性技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了高功率密度，而且還產(chǎn)生了高安全電壓（6千伏），創(chuàng)造性地提供了空氣凈化和抗菌的多功能。總體而言，該工作以極簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)、高輸出功率和多功能特性，使智能紡織品有效地收集人體機(jī)械能，促進(jìn)人體健康。通過(guò)集成柔性的電源管理電路和各種可穿戴傳感器，此策略為實(shí)現(xiàn)自供電健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境傳感和人機(jī)交互提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
原文鏈接 http://doi.org/10.1002/adfm.202509809
