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        柔性電磁『發(fā)電衣』助力可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展

        2022-01-09 12:31:18
        海外星云 2021年21期
        關(guān)鍵詞:磁電磁性織物

        近些年,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)日益成熟,智能可穿戴設(shè)備正在快速地發(fā)展。并且,它們被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、智能家居、通信等領(lǐng)域,人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統(tǒng)電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、質(zhì)量大、體積大等問題,柔性可穿戴式能源采集方式受到了極大地關(guān)注。

        服裝作為人體的第二層皮膚,具有極好的可穿戴舒適性,是能源器件極好的物理載體以及理想的可穿戴設(shè)備集成平臺。如果利用服裝收集人體日常行為中產(chǎn)生的生物機(jī)械能,便可解決可穿戴設(shè)備長期運(yùn)行的電池容量問題,促進(jìn)可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展。

        近日,華中科技大學(xué)蘇彬教授、陶光明教授,中國香港理工大學(xué)陶肖明教授,武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授團(tuán)隊多學(xué)科交叉合作,研發(fā)了一款高性能柔性發(fā)電衣。

        它將傳統(tǒng)的硬磁鐵做成了柔性紗線,能夠?qū)崿F(xiàn)磁體的柔性織物化。不僅能夠有效控制成本,實現(xiàn)了磁性織物制備的初步小試生產(chǎn),還實現(xiàn)了超高的峰值輸出功率密度。本發(fā)電衣所用的磁性紗線及其織物與紡織加工技術(shù)兼容,可大規(guī)模批量生產(chǎn)。

        相關(guān)論文以《用于從生物機(jī)械能到電能的高性能轉(zhuǎn)換的磁電發(fā)電衣》為題發(fā)表。

        相關(guān)論文

        該發(fā)電衣通過手臂擺動來實現(xiàn)為可穿戴電子設(shè)備“充電”,論文中展示了該技術(shù)為一些智能電子產(chǎn)品進(jìn)行供電,如LED燈、計算器、無線通信和健康監(jiān)測設(shè)備等。此外,鑒于磁性織物具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,其可以在極端環(huán)境下為我們的求生設(shè)備,如呼救機(jī)等,進(jìn)行緊急供電。

        陶光明教授解釋道:“人們在日常生活中行走或奔跑時,通常會進(jìn)行擺臂等行為動作,這存在大量的生物機(jī)械能資源。由此,我們想到是否可以將這些浪費(fèi)掉的機(jī)械能資源收集起來,為柔性可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行供電,這樣便可解決可穿戴設(shè)備長期運(yùn)行的電池容量問題?!?/p>

        具備超強(qiáng)柔韌性,自供電、水下及極端環(huán)境下安全工作

        柔性可穿戴電子設(shè)備是未來人機(jī)交互的發(fā)展方向,柔性可穿戴式能源采集受到了極大地關(guān)注。該團(tuán)隊的研究初衷是將人體產(chǎn)生的機(jī)械能加以收集利用,為可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行供電。并且,他們希望磁性織物能夠柔性化,能夠和服裝一樣穿在身上,與柔性可穿戴器件相結(jié)合,解決其供電問題,這將極大地拓展柔性可穿戴器件的應(yīng)用場景,促進(jìn)可穿戴電子持續(xù)性發(fā)展。

        在以往的研究中,電磁能量收集策略主要面臨3個方面的挑戰(zhàn):

        該發(fā)電衣的峰值輸出功率密度可以達(dá)到3197mW/m2,主要有兩方面原因:一方面,磁電的發(fā)電效率很高,磁電被廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站、核電站等領(lǐng)域中;另一方面,該團(tuán)隊制備的磁性織物中的磁含量很高(80wt.%),磁含量越高,織物的磁性就會越強(qiáng),從而獲得更高的輸出功率密度。

        蘇彬教授(左)、陶光明教授(右)

        不僅如此,這種磁性織物還可以在水下工作,并且不受影響。

        第一,該磁性織物采用顆粒流紡紗來制備連續(xù)磁性紗線,磁顆粒被緊緊地鎖在紗線內(nèi)部,形成芯套結(jié)構(gòu)的釹鐵硼磁紗,保證其在水下工作的可靠性;

        第二,該團(tuán)隊通過最常見的工業(yè)織布機(jī)制備磁性織物,能夠達(dá)到工業(yè)級別的標(biāo)準(zhǔn);

        第三,磁性織物不會受到浸水的影響,而線圈部分我們使用漆包線,能夠完全與外界絕緣,所以保障了這種磁性織物在水下能夠正常工作。

        “正如我們在論文中展示的實驗結(jié)果,即便是經(jīng)過水洗,我們的發(fā)電衣仍然能夠保證其可靠性。”陶光明教授說。

        在安全性方面,該團(tuán)隊主要考慮從材料、磁性織物的磁場強(qiáng)度、用電安全三方面綜合考慮,并找到恰當(dāng)?shù)奶幚矸桨浮?/p>

        “我們的磁性織物使用釹鐵硼和常見的紡織高分子材料作為原材料,這些材料都是無毒無害的,不會對人體造成任何傷害。”蘇彬教授說。

        他補(bǔ)充說道:“我們將磁性織物固定在手臂內(nèi)側(cè),所制備的衣服為外套。并且隨著距離的增加,磁性織物的磁場強(qiáng)度會顯著下降,這可以保證我們的磁性織物的磁場對人體無害?!?/p>

        此外,在用電安全性方面,該團(tuán)隊使用漆包線作為線圈部分,以保證不漏電。并且,研究人員對磁性織物與線圈都進(jìn)行了水洗和高低溫等試驗,能保證其可靠性。

        磁性織物的制備流程

        材料科學(xué)-電磁學(xué)-紡織工程的跨領(lǐng)域多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新,推進(jìn)多行業(yè)協(xié)同發(fā)展

        柔性電磁發(fā)電衣將材料科學(xué)、電磁學(xué)和紡織工程技術(shù)結(jié)合,旨在將人類的日常行為動作所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電子服裝所需要的電能,解決電子服裝持續(xù)供電的問題,促進(jìn)可穿戴電子領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展,是具有代表性的多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的科研進(jìn)展。

        該團(tuán)隊致力于突破自供能纖維及織物領(lǐng)域發(fā)展瓶頸的“卡脖子”難題,解決電子服裝持續(xù)供電問題,從而實現(xiàn)可穿戴電子服裝的可持續(xù)發(fā)展。最終實現(xiàn)材料、電磁學(xué)與纖維、紡織、服飾三大國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)協(xié)同發(fā)展。

        蘇彬教授表示,在研究過程中,主要有兩方面的困難,一方面是相關(guān)材料的研究,不同的材料具有不同的屬性,為了找到最合適的材料,團(tuán)隊進(jìn)行了不斷地探索;另一方面則是對工藝的研究?!拔覀冃枰獙⒋判圆牧现苽涑扇嵝缘募喚€、織物,就需要相應(yīng)的工藝條件,并且需要確保制備成的纖維和織物具有可靠性,這是相當(dāng)困難的?!?/p>

        該團(tuán)隊秉承科研的“匠心精神”,迎難而上。在選材階段,他們從紡織界常用的高分子材料入手,保證其安全和可靠性,將這些材料根據(jù)屬性進(jìn)行分類,根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。

        “在工藝研究上,我們調(diào)研了市面上通行的紡織工藝,在現(xiàn)有的工藝條件基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),并且調(diào)整優(yōu)化了材料和對應(yīng)的磁含量。這能保證我們生產(chǎn)出的磁性織物符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化帶來便利?!碧K彬教授說。

        那么這種發(fā)電衣成本怎么樣,會不會特別貴呢?據(jù)了解,磁電衣物的成本來自于材料成本與生產(chǎn)磁電衣物的工藝成本。

        磁性織物的展示

        發(fā)電衣的應(yīng)用展示

        從材料部分的成本看,該團(tuán)隊所使用的的原材料主要有釹鐵硼磁粉、紡織高分子材料、漆包銅線等。這些材料的生產(chǎn)制備已經(jīng)有非常成熟的產(chǎn)業(yè)體系,目前制作一件發(fā)電衣的費(fèi)用約為數(shù)百元。蘇彬教授認(rèn)為,隨著批量的生產(chǎn)制造,還可以將成本進(jìn)一步大大降低。

        從生產(chǎn)磁電衣物的工藝成本看,該團(tuán)隊使用的工藝已經(jīng)在推動產(chǎn)業(yè)化,通過調(diào)整參數(shù)即可制備我們的磁性纖維和紗線,并且,未來的大規(guī)模批量生產(chǎn)可以有效降低成本。

        因此,從上述兩方面綜合來看,磁電衣物的成本在可控的范圍內(nèi)。

        該團(tuán)隊表示,在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之前,還需要進(jìn)行小規(guī)模試點(diǎn),因此,向大眾普及這種新型衣物還需要一定的時間。進(jìn)一步提高工藝的產(chǎn)業(yè)化水平,將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,確保生產(chǎn)制備的統(tǒng)一可控性。

        對于該項目的合作計劃,陶光明教授表示,“我們目前有一定的合作計劃,愿意與一到兩家具有創(chuàng)新思想的企業(yè)進(jìn)行合作,會進(jìn)一步研發(fā)、改進(jìn)設(shè)計,提供合作中的技術(shù)支持。企業(yè)方提供產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制造,在推廣磁電發(fā)電衣的同時,還能為社會提供了更多的就業(yè)崗位,為社會的發(fā)展盡一份綿薄之力。”

        對于下一步的研究進(jìn)展,該團(tuán)隊計劃進(jìn)一步優(yōu)化磁性織物,將考慮采用更為先進(jìn)的工藝方法,提高磁性纖維和磁性織物的柔性和可拉伸性,進(jìn)一步完善柔性發(fā)電衣的制備工藝、不斷降低成本等,實現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

        陶光明教授表示:“希望在未來能看到,在衣物上遍布著各種傳感器,通過收集人體運(yùn)動的能量進(jìn)行自供電,實時監(jiān)測人體的健康狀態(tài),或是實現(xiàn)各種有趣的功能,衣物一定會以更加智能化的面貌出現(xiàn)在人們的日常生活中?!?/p>

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