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(duì)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(wèn)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(tái)。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(zhǎng)期運(yùn)行的電池容量問(wèn)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(guó)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(duì)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(shí)現(xiàn)了磁性織物制備的初步小試生產(chǎn)，還實(shí)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。

該發(fā)電衣通過(guò)手臂擺動(dòng)來(lái)實(shí)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(jì)算器、無(wú)線通信和健康監(jiān)測(cè)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?cè)谌粘Ｉ钪行凶呋虮寂軙r(shí)，通常會(huì)進(jìn)行擺臂等行為動(dòng)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(lái)，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(zhǎng)期運(yùn)行的電池容量問(wèn)題。”

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(lái)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(duì)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(wèn)題，這將極大地拓展柔性可穿戴器件的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)方面的挑戰(zhàn)：

磁性材料很難做到全柔性。在以往的研究中，科研人員大多使用磁鐵來(lái)進(jìn)行能量收集，比如，常見(jiàn)的手搖發(fā)電機(jī)等設(shè)備，這類設(shè)備質(zhì)量大、比較硬、無(wú)法使用在衣物上;

傳統(tǒng)磁電能量收集針對(duì)的是高頻機(jī)械能的收集，對(duì)于人體低頻的機(jī)械能無(wú)法有效回收;

人的日常行為中存在大量的生物機(jī)械能資源，如何通過(guò)磁性服裝收集這類機(jī)械能是在電磁能量收集策略面臨的最主要的挑戰(zhàn)。

該發(fā)電衣的峰值輸出功率密度可以達(dá)到3197mW/ m ? ，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(duì)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(huì)越強(qiáng)，從而獲得更高的輸出功率密度。

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(lái)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(duì)通過(guò)最常見(jiàn)的工業(yè)織布機(jī)制備磁性織物，能夠達(dá)到工業(yè)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn);

第三，磁性織物不會(huì)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?cè)谡撐闹姓故镜膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，即便是經(jīng)過(guò)水洗，我們的發(fā)電衣仍然能夠保證其可靠性?！碧展饷鹘淌谡f(shuō)。

在安全性方面， 該團(tuán)隊(duì)主要考慮從材料、磁性織物的磁場(chǎng)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(jiàn)的紡織高分子材料作為原材料，這些材料都是無(wú)毒無(wú)害的，不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害?！碧K彬教授說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)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(chǎng)強(qiáng)度會(huì)顯著下降，這可以保證我們的磁性織物的磁場(chǎng)對(duì)人體無(wú)害?！?/p>

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

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(dòng)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(wèn)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。