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多功能纳米织物集智能控温与自供电传感于一身
发布时间:2022-06-09 22:03:25 来源:华体会体育登录 作者:华体会体育全站官网登录

  有没有一种“聪明”的衣服,穿在身上可以夏天凉爽冬日暖和,还可以通过摩擦纳米发电实现自供电和多功能人机交互?

  记者5月8日从云南大学材料与能源学院了解到,基于长期纳米能源材料的研究积累,并受企鹅黑白皮毛微观机制的启发,近日,该院研究人员开发了一种可洗、透气、柔性的黑白仿生可穿戴织物,集成了户外人体温度调控、密码信息传输以及自供能传感等功能,解决了传统可穿戴电子设备依靠外源供电、功能单一以及灵敏度较低等问题,为实现多功能集成可穿戴设备提供了一个新的解决方案,同时在智能家居控制、人机交互系统、纳米机器人等领域展现出了潜在的应用价值。

  在遥远的南极洲,帝企鹅喜欢在冰架和海冰上栖息;阿德利企鹅和金图企鹅既可以在海冰上,又可以在无冰区的露岩上生活。

  企鹅跟大部分鸟类生活环境不同,帮助其抵御严寒的皮毛也和众多鸟类不一样。大部分鸟类的羽毛长在羽胚上,而企鹅的毛则像瓦片均匀布满身体表面,尖端稍弯,可以防水,与皮肤等其他身体机能协作,具有典型的户外体热管理功能。

  “随着物联网、大数据、类人机器人、人工智能等新兴产业和先进学科正在蓬勃发展,纺织品不再局限于安全保护、保暖和美观用途,将传统功能与智能化、信息化相融合,才能顺应时代要求,丰富生活环境。”云南大学材料与能源学院博士生导师万艳芬副教授告诉科技日报记者,电子元件与传统纺织品的结合催生了智能纺织品或电子纺织品,而如何赋予传统织物个人热管理、传感、交互、电子控制和自供能等多种功能,这是新一代可穿戴电子设备的未来发展方向。

  为解决可穿戴织物的个人热管理及能量供应等问题,云南大学材料与能源学院万艳芬团队近期开发了两类混合了炭黑纳米颗粒或钛酸钡纳米颗粒且具有双温调控功能的聚丙烯腈仿生纳米织物。

  通过纳米材料结构、光学特性的调控,赋予了这种纳米织物户外人体热管理的功能,在阳光辐照下,实现模拟皮肤的温度分别升高或降低8.7℃至2.5℃;同时,纺织品和模拟皮肤之间产生的温度梯度采用热电模块进行连续发电,在进行被动人体热管理的同时,可为其他电子设备供电,为下一代可穿戴电子设备的发展提供了新的思路和方案。

  为实现可穿戴织物的传感、人机交互等功能,基于摩擦纳米发电技术,该课题组创新性地将其应用到两个方面。一方面,根据信号序列的排列组合实现,并通过机器学习进行验证,这也许会改变信息加密、灯语和遇险求救等特殊场合中人与人的交互方式;另一方面,基于可穿戴织物的柔性自供能游戏控制器也被开发出来用于人机交互,实现了游戏人物运动的有效操控,这在可穿戴电子设备、智能家居等领域展现出潜在的应用价值。相关成果发表在国际知名能源期刊《纳米能源》上。

  从人体热舒适的角度出发,通过对人体及外界环境进行热交换的调控,同时避免多余的能耗来实现有效的个人热管理,是目前国内外的研究热点。

  受许多自然动物如北极熊、蜘蛛、蛇和蜜蜂等的启发,科研人员致力于探索、模拟动物的自动温度调节行为,以寻求替代方案来增强高温下人体热辐射的消散或通过纳米纺织品对其进行抑制。但这更适用于室内环境,而户外环境对于个人户外活动、露天运动、社交活动甚至制造业的生产尤为重要。而研究人员在考虑阳光照射、热能损失以及温度波动等因素对个人热管理影响的同时,如何有效实现户外的人体热舒适仍是一大难题。

  “从能源利用的角度来看,如何通过智能材料和设备将外部低频的机械能转换为电能,为居民生活和商业应用提供充足的电力供应尤为重要。”论文第一作者叶国敏介绍,有物联网、人工智能、大数据及云计算等科技赋能,实现了人机之间的革命互。

  然而,人机交互(HMI)系统必然是通过感应外部刺激信息的电信号读入,进而通过显示屏、手机App等人类可感知的信号进行输出,因此,随着小型化、集成化和智能化电子器件的发展,将能量供应模块、传感器、数据采集和传输等模块集成为人机交互系统至关重要,这赋予了集成系统电力供应、传感、通讯、计算等功能,同时克服了维护成本高、能源效率低、便携性差、外接电源等限制。

  各类自充电电源模块均展现出良好的自供电与传感性能,例如压电纳米发电机传感压力,摩擦电纳米发电机为电子设备的运行提供电源以及感知人的血压、血压、热速率和呼吸等生理状态或物体的速度、加速运动和位置等运动状态,以及利用热电或热释电将热能转化为电能或实现环境温度的感应。

  “这一研究成果展示了未来纳米器件集成多学科交叉应用的潜力,它推动了个人热管理、能量转化和自供电传感技术的开发和应用的进步,将对人机界面系统、可穿戴电子、生物医学产业、软机器人等产生重大而深远的影响。”万艳芬说。

  为实现可穿戴织物的传感、人机交互等功能,基于摩擦纳米发电技术,万艳芬团队还创新性地将摩擦纳米发电应用到智能织物新材料的研发中。

  一方面,他们以不同敲击方式可以产生不同电信号为基础,对不同的电信号进行排列组合,首次实现了基于摩擦纳米发电新型国际摩尔斯密码并通过机器学习对其识别准确率进行验证,新型密码包含了26个大写字母,其最高平均识别准确率为99%。

  “这也许会改变信息加密、灯语和遇险求救等特殊场合中人与人的交互方式。”完成该研究中深度学习部分工作的巴黎南大学在读博士吴佳铭认为。

  另一方面,他们将摩擦纳米发电与信号处理电路、通信技术以及软件开发与控制相结合,基于可穿戴织物的柔性自供能游戏控制器也被开发出来用于人机交互,实现了游戏人物运动的有效操控,这在可穿戴电子设备、智能家居等领域展现出潜在的应用价值。

  “项目研发初期,实验室基本没有可穿戴、自供电电子器件领域的研究基础,缺少该方向的基础测试设备与技术支撑。我们从零开始,学习和搜集相关专业知识,一步一步搭建基础测试平台,从材料的制备表征平台、再到器件的制备和表征平台,在这个过程中,参与研发的学生也积累了大量的专业实践经验,专业素养得以迅速提升。”万艳芬介绍,在研发过程中,他们也遇到了一些瓶颈问题,例如在研发中期,研究团队制备的摩擦纳米发电机的开路电压较低,直接影响到后续传感信号的分析和处理,面对这一难题,他们积极分析器件结构、对材料自身的物理化学性能进行改性,最终实现了最高开路电压为215.1V的优越电学性能,为后续电子器件的能量供应或传感应用奠定了良好基础。

  随着电子显示、人工智能等技术快速发展,人们穿上“智能服装”出行正一步步成为现实。

  但科技日报记者了解到 ,如何集成、开发具有热舒适、传感、计算、电子控制和自供电等多种功能的“智能”纺织品,仍有一些障碍需要解决,如低成本的制造工艺,低功耗、高灵敏度、重复稳定性等关键技术难题,才能实现大规模的生产制造。“希望我们提供的科研思路可以帮助更多的研究人员来共同解决此领域的关键技术难题,并在不久的将来激发更多显著突破。”叶国敏说。