尹云雷，郭 成，楊紅英，李 虹，王 政

(中原工學院, a.紡織學院；b.先進紡織裝備技術省部共建協同創(chuàng)新中心，鄭州 450007)

近年來，智能可穿戴電子設備的應用在人們的日常生活中越來越重要。智能可穿戴設備要求長時間接觸皮膚，特別是在疫情大流行情況下，能夠高精度地檢測與慢性健康狀況或傳染病相關的物理、化學和電生理信號，理想中的智能可穿戴設備具有柔韌性、重量輕和易于與人的皮膚結合的特性[1-2]。然而，具有高性能的傳統電子器件大多由體積大且剛性的無機材料制成，很難與人體皮膚貼合采集信號[3]。因此，智能可穿戴設備逐漸向柔性和小型化發(fā)展，以滿足佩戴者的要求。紡織品具有良好的柔韌性、重量輕和透氣性的優(yōu)點，是智能可穿戴設備的理想前景之一。

電子織物(E-textiles)是一種將電子器件和紡織品相結合形成的“智能”紡織產品，能夠感知人體與環(huán)境信號的變化，并通過反饋機制主動做出響應的一類新型織物[4]。隨著科技的進步和生活水平的提高，人們對織物的功能性和智能化要求大大提高，促使織物向多功能和智能化方向發(fā)展[5-6]。電子織物也得益于電子信息技術的發(fā)展，使得運用電子元件的智能織物，成為智能可穿戴領域的焦點之一。尤其是近年來隨著材料科學和納米技術的進步，智能可穿戴設備將紡織品的柔韌性和優(yōu)異的機械性能與電子元件的功能性和智能性相結合，吸引了大量學者的興趣。電子織物在具有電子功能的同時，可以繼承傳統織物重量輕，柔韌性，透氣性和一定程度的延展性的優(yōu)點[7]。目前，織物型電子器件已被廣泛研究并用于傳感[8]、發(fā)光[9]、能量轉換和能量存儲[10]等方面。隨著科技進一步發(fā)展，電子織物將來一定會與各種各樣的產品整合在一起，賦予更多的功能。

電子織物盡管在智能可穿戴領域取得了巨大進展，但由于技術障礙，大多數報道的結果仍未在實際中應用。主要挑戰(zhàn)來自柔性導電材料、制造技術、功能、數據安全性、測試方法和智能可穿戴技術標準等方面[11]。文章闡述了電子織物在智能可穿戴領域中的傳感器、發(fā)光電子、能量轉換和存儲的最新進展，討論了電子織物的挑戰(zhàn)和未來的研究方向，以便在實踐中進一步廣泛研究使用電子織物提供參考。

1 織物傳感器

傳感器可以將外部刺激，例如機械變形、環(huán)境化學物質、溫度或濕度的變化等信號轉化為電子信號，以便獲取相關信息。根據傳感器工作機理的不同，傳感器可分為物理傳感器[12]、化學傳感器[13]和電生理傳感器[14]。與傳統的傳感器相比，織物傳感器表現出更好的柔韌性、透氣性、人體貼合性等特性，并且很容易集成在一起。在過去的十幾年里，織物傳感器不僅在概念和理論中得到了證實，而且在運動監(jiān)測、健康監(jiān)測和智能醫(yī)療的實際應用中也得到了證實。

1.1 物理傳感器

當物理傳感器受到機械變形或環(huán)境刺激時，他們的微觀結構或固有的電導率會發(fā)生變化，這可以轉化為電阻/電容或電壓/電流的變化。傳統的傳感器貼合在人體上時都會在一定程度上降低觸覺，導致測量結果出現偏差，無法真實反映皮膚的自然感覺。近年來，織物物理傳感器被廣泛研究，并因其在生理信號監(jiān)測(如心率、血壓和呼吸頻率)中的應用而成為研發(fā)較為廣泛的傳感器。

隨著先進材料和制造技術的發(fā)展，具有多功能傳感能力的柔性傳感器在智能可穿戴領域變得越來越有吸引力，將彈性基體與導電材料，例如石墨烯、碳納米管(Carbon nanotube, CNT)、金屬/半導體和導電聚合物結合在一起已被廣泛研究[15-16]。然而，這些傳感器中的大多數由于其材料的剛性而造成低拉伸性、柔韌性和耐久性差等缺點。這增加了對能夠檢測各種機械引起的變形的可拉伸、靈活和高靈敏度傳感器的需求。許慧等[17]以生物試劑肝素鈉(Heparin, HS)分散的CNT墨水為“染液”，以純棉針織物為基材，利用重復浸軋染色工藝將CNT墨水均勻印染到棉織物中，進一步利用粘附導電銀膠的銅膠帶在CNT棉針織物兩端組裝得到柔性織物應變傳感器。該織物應變傳感器在0～50%的應變條件下顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和回復性，且具有優(yōu)異的生物相容性。Lim等[18]為了構建基于紡織品的壓力傳感器，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)纖維織物上通過氣相聚合與不同濃度的氧化劑氯化鐵(FeCl3)制備了聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)薄膜，如圖1(a)所示。PEDOT導電紡織品顯示出導電性的變化，具體取決于施加的壓力。從PEDOT導電紡織品經過洗滌和反復折疊測試后的穩(wěn)定電性能證實了傳感器的出色洗滌和物理耐用性。Khalili等[19]使用物理交聯的聚乳酸(Polylactic acid, PLA)和熱塑性聚氨酯(Thermoplastic polyurethane, TPU)混合物通過靜電紡絲制成納米纖維膜。PLA/TPU纖維重量輕，可達到100%的最大應變，同時保持其機械完整性。由于基材的形狀記憶特性，TPU/PLA纖維擁有熱活化恢復性。熱活化恢復功能增強了傳感器的性能，使得傳感器不再受到塑性變形的限制。使用噴涂方法，將一層均勻的單壁碳納米管沉積在纖維膜上，以誘導纖維表面的導電性。結果表明，拉伸和彎曲傳感器會產生高靈敏度和線性響應。劉旭華等[20]以氨綸-丙綸彈性織物為柔性基底，通過浸沒涂覆法，以銀納米線(Silver nanowires, AgNWs)和MXene共同制備出柔性應變傳感器，如圖1(b)所示。該應變傳感器不僅具有較小的電阻值和較高的耐久性，而且通過將該傳感器貼合于咽喉部測得的電阻信號顯示，對4個不同單詞的發(fā)音具有一定的區(qū)分度，并且在語音識別有著重要潛能。

Fan等[21]采用導電和尼龍紗線在全開衫針織中編織的摩擦電全織物傳感器陣列，如圖1(c)所示，用于表皮微弱的壓力捕獲。該傳感器陣列表現出7.84 mV/Pa的高靈敏度、20 ms的快速響應時間、高達20 Hz的工作頻率帶寬和大于40次的機洗性。它可以直接整合到織物的不同部位(頸部、腕部、指尖和腳踝位置的脈搏波，以及腹部和胸部的呼吸波)用來收集人們活動的各種信號。Ma等[22]研發(fā)一種嵌入普通面罩中的紗線狀濕度傳感器，用于無線和無電池監(jiān)測人體呼吸。采用自制的繞線裝置，將雙軸型繞線結構的紗線型濕度傳感器在銅線上兩次繞制，具有較高的表面積和異常截面的紗線作為電容介電層。特殊的表面結構使它們能夠在表面上具有良好的水分子傳輸能力，并有助于紗線的毛細作用。

圖1 織物物理傳感器在智能可穿戴的應用

1.2 化學傳感器

化學傳感器是利用電化學反應原理，把無機和有機化學物質的成分、濃度等轉換為電信號的傳感器。最常用的是離子選擇性電極，利用這種電極來測量溶液中的pH值或某些離子的濃度，如K+、Na+、Ca+等[23-24]。目前，化學傳感器在智能可穿戴領域中最為常見，它具有高靈敏度、傳感器小型化、無標記直接測量等優(yōu)點。

一些制備電化學傳感器的傳統方法已經運用到智能可穿戴領域中?；瘜W傳感器檢測具有活性分析物在氧化或還原過程中產生的電流大小?；瘜W傳感器已經用于持續(xù)檢測乳酸、尿酸、葡萄糖等，借助特定的酶(如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶和尿素氧化酶)催化目標代謝物發(fā)生化學反應產生電流，通過產生的電流強度給出目標分析物的濃度[25-26]。Singh等[27]通過電化學沉積方法用氧化銅(CuO)/氧化石墨烯(Graphene oxide, rGO)修飾導電織物表面來測定抗壞血酸。由于rGO的獨特性質與CuO的性質相結合所產生的協同效應，顯示出對抗壞血酸氧化的高度電催化活性。電化學傳感器在500～2000 μM的濃度范圍內顯示出寬線性響應，檢測限為189.053 μM。還表現出良好的穩(wěn)定性、重現性和特異性。該傳感器與一系列其他可用的抗壞血酸鹽傳感器進行了比較，在分析性能方面具有可比性或優(yōu)越性。Liu等[28]研發(fā)了一種獨特的刺繡電化學傳感器，如圖2(a)所示，它能夠使用原始生物流體樣品進行定量分析測量。固定有酶探針的導電線是使用簡單而堅固的制造工藝生成的，并用于在紡織品上制造靈活、機械堅固的電極。Clevenger等[13]為了在各種日?？椢锷蠈崿F均勻的PEDOT層，使用了氧化化學氣相沉積技術。采用氧化化學氣相沉積技術能夠形成厚度可控的圖案化聚合物薄膜，同時保持織物的固有優(yōu)勢。利用PEDOT的優(yōu)越特性，通過在一次性手套和口罩上分別直接沉積和圖案化PEDOT，如圖2(b)所示，成功地制造了血壓和呼吸率監(jiān)測傳感器。Su等[29]將白色棉織物編織成具有一對由導電紗線制成的平行電極的基板，然后在編織后的紡織基板上噴涂一種甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate, MMA)和[3-(甲基丙烯氨基)丙基]三甲基氯化銨((3-AcrylaMidopropyl)triMethylaMMoniuM Chloride, MAPTAC)形成(poly-MMA/MAPTAC)濕度傳感薄膜。該織物濕度傳感器具有非常高的可拉伸性、高柔韌性、寬工作范圍、高靈敏度、可接受的線性度、低滯后、快速響應/恢復時間和相對穩(wěn)定的長期穩(wěn)定性。

化學傳感器對于一些氣體的反應比較敏感，化學傳感器能夠通過與被測氣體發(fā)生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作，因此引起科研工作者的廣大的關注。目前開發(fā)了多種類型的電子織物來檢測氣體，通常依靠石墨烯衍生物的化學電阻傳感、碳納米管，聚苯胺和金屬有機半導體。然而，電子織物在氣體傳感中的可重復性仍需提高，因為由于化學物質與導電材料的不完全粘附和分離，他們的性能在幾個傳感周期后往往會急劇下降。

Lee等[30]研發(fā)了用于檢測NO2的氣敏電子織物，其使用由淀粉樣蛋白納米纖維涂有rGO的棉紗作為粘附促進劑。電子織物的rGO提供了豐富的活性位點作為電子受體來吸附NO2分子，從而使可檢測到的電勢增加。電子紡織品表現出高的電導率、響應時間、傳感效率、靈敏度和檢測限，這種高性能的氣敏電子織物能夠通過發(fā)光二極管對任何高濃度的NO2發(fā)出警報。Zhu等[31]通過噴墨打印rGO制造的所有紡織品基板上都適用的氫氣(H2)傳感器，如圖2(c)所示。噴墨印刷工藝具有與各種基材的兼容性、非接觸圖案化能力和成本效益等優(yōu)點。傳感機制基于鈀(Pd)納米粒子對寬帶隙rGO的催化作用，這使得非極性H2的吸附和解吸變得非常容易。由于織物基材的大表面積，石墨烯紡織氣體傳感器的傳感響應比普通的氣體傳感器高約6倍。

圖2 織物化學傳感器在智能可穿戴的應用

1.3 電生理傳感器

電生理信號，例如心電圖(ECG)、肌電圖(EMG)、和腦電圖(EEG)，是人體消耗能量期間細胞膜中離子通道極化(即細胞極化)可測量生物電勢差異的結果[32]?？椢飩鞲衅骺梢砸苑乔秩胄苑绞皆谄つw上獲得電生理信號，以便在健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、假肢和智能醫(yī)療等應用中提供信息。

ECG信號代表心臟的電活動，用于診斷心臟疾病，例如心房纖維性顫動、心絞痛和心律失常等心臟疾病。因此，通過持續(xù)監(jiān)測心電圖信號可以提高心臟病患者的治療效果。傳統電極是凝膠輔助的銀(Ag)/氯化銀(AgCl)濕電極。然而，由于凝膠的黏性或水分蒸發(fā)，傳統電極在長期使用過程中可能會刺激皮膚或信號衰減。因此，在長期智能可穿戴應用中，通常使用可貼附皮膚的干電極。Yapici等[33]通過浸涂和熱包覆的方法制備彈性帶中的導電石墨烯包覆織物ECG傳感器(尺寸為6 cm ×3 cm)。通過將一塊普通的尼龍織物浸入 rGO懸浮液中制備基于紡織品的干電極，然后進行熱處理并浸入碘化氫(HI)中將rGO還原成石墨烯，如圖3(a)所示，從而進一步提高導電性。制作兩種類型的可穿戴ECG設備腕帶和頸帶。腕帶兩側包含兩對記錄電極，一側有一個參考電極。相比之下，頸帶在中間的同一側包含所有電極。對于無線監(jiān)控，腕帶和頸帶都連接到鋰離子聚合物電池和無線通信模塊。

骨骼肌的肌電電位活動的EMG信號，顯示肌肉細胞的健康狀況。分析EMG信號的模式有助于評估肌肉損傷或其康復過程。Jin等[34]研發(fā)了一種可直接在織物上進行絲網/模板印刷的可滲透黏性Ag墨水。該墨水可提供高拉伸性和低電阻。該墨水由含氟彈性體、丁基卡必醇乙酸酯(2-(2-Butoxyethoxy)ethyl acetate BCA)和平均尺寸為2～3 μm的Ag薄片組成。含氟聚合物為復合材料提供柔軟性和可拉伸性，如圖3(b)所示。由于BCA比丙酮具有更高的沸點和低蒸氣壓，因此Ag墨水對織物具有高度滲透性。研發(fā)者在緊身套袖上制作的EMG傳感器進行了演示，并且使用熱塑性TPU壓封裝起來，防止出汗和不必要的皮膚接觸。為了解決這種柔性電子設備常見的集成挑戰(zhàn)，Bihar等[35]通過由印刷PEDOT觸點組成的腕帶形式的織物將傳感器連接到采集系統。雖然織物腕帶貼合在傳感器皮膚周圍，但它可以與下面的電極可靠接觸。這種織物電子平臺能夠在持續(xù)7 h的肌肉收縮期間監(jiān)測手臂的二頭肌活動，其性能可與傳統的生物電勢電極相媲美，而無需使用凝膠或昂貴的金屬材料。

代表大腦電活動的EEG信號，不僅可用于評估癲癇事件、無反應的清醒狀態(tài)、最低意識狀態(tài)，甚至昏迷狀態(tài)，而且EEG的信號采集可以為以后的人機交互、智能假肢和虛擬現實提供更大的幫助。然而，EEG信號的長期采集仍然相對具有挑戰(zhàn)性。La等[36]通過將導電AgNPs/氟聚合物復合油墨直接滲透到織物形成的EEG感應電子織物，如圖3(c)所示。滲透的油墨在織物的納米纖維上形成包層，這有利于電子織物的機械和電氣性能。為了進行測量，將傳感器放置在耳后的皮膚上，獲得的EEG信號，與商業(yè)凝膠電極相比，運動偽影更少。為了減少皮膚和不規(guī)則頭部表面電極處阻抗的變化，Shu等[37]研發(fā)了一種多層多孔泡沫，用于記錄織物中的電極，其中電極頭皮的接觸阻抗低于傳統導電凝膠濕電極的接觸阻抗。多孔泡沫還為腦電圖傳感提供了長期穩(wěn)定性，在8 h內具有5 kΩ的微小阻抗變化，這與具有隨時間變干的導電凝膠的傳統記錄電極相比非常有利。

圖3 織物電生理傳感器在智能可穿戴的應用

2 發(fā)光電子織物

作為一種功能性電子織物，發(fā)光電子織物也受到了廣泛的關注，并在運輸、安全、防偽、服裝和航空方面發(fā)揮了重要作用。纖維形發(fā)光電子設備可以與紡織品無縫集成，從而可以在紡織品顯示、傳感和偽裝中應用。

2.1 電致發(fā)光

電致發(fā)光通過發(fā)光材料夾在透明電極和凝膠電解質之間，在氧化還原反應過程中，在電極上施加電勢時，可以根據不同的可見光區(qū)域吸收改變其光學性質。柔性電致發(fā)光織物的發(fā)光性能、機械性能以及耐用性能對其在智能可穿戴領域的應用潛力有決定性影響。具有電光功能的有源纖維是新興和快速發(fā)展的纖維和紡織電子領域的有希望的基石。纖維狀發(fā)光電子器件可以與織物無縫集成，實現織物顯示、傳感和偽裝方面的應用。在這里，Jamali等[38]使用了靈活且堅固的導電芯CNT纖維和有機-無機發(fā)光復合層作為兩個關鍵元素，研發(fā)了一種有源光纖設計，如圖4(a)所示，可以通過全溶液處理方法來實現。并且已經實現了這項技術來演示具有同軸涂層設計的三層發(fā)光光纖。Shi等[39]制作了一種 6 m 長，25 cm寬的紡織品，如圖4(b)所示，該紡織品包含5×105個電致發(fā)光單元，它們之間的間隔約為800 μm。編織的導電緯線和發(fā)光經線纖維在緯線—經線接觸點形成微米級的電致發(fā)光單元。即使紡織品彎曲，拉伸或壓縮時，電致發(fā)光單元之間的亮度偏差也小于8%，并保持穩(wěn)定。該紡織品柔軟而透氣，可以承受反復的機洗，非常適合實際生產生活的應用。該紡織品不僅證明了由顯示器，鍵盤和電源組成的集成紡織品系統可以用作通信工具，還證明了該紡織品在醫(yī)療保健在內的各個領域的“物聯網”中的潛力。將紡織品的電子設備的制造和功能統一起來，并且期望編織纖維材料將塑造下一代電子產品。智能可穿戴電子設備和光電子學的結合不僅需要具有高度靈活性，而且可以編織成紡織品。Zhang等[40]研發(fā)了一種顏色可調、可編織的纖維狀聚合物發(fā)光電化學電池(Polymer light-emitting electrochemical cell, PLEC)。纖維狀PLEC的設計具有同軸結構，包括改性金屬線陰極和導電排列的碳納米管片陽極，電致發(fā)光聚合物層夾在它們之間。纖維狀PLEC可以提供多種不同且可調的顏色，它重量輕，靈活且可穿戴，并且可以編織成發(fā)光織物，為發(fā)光電子織物的集成提供解決方案。

圖4 織物電致發(fā)光在智能可穿戴的應用

2.2 光致發(fā)光

光致發(fā)光織物在外界環(huán)境刺激下發(fā)光中心發(fā)生電子躍遷而產生可見光的新型電子織物。由于傳統電極材料硬度高，很難具有高柔軟度。然而大面積超柔軟發(fā)光技術可以用超輕織物電極實現。得益于其固有的高容錯性，發(fā)光單元可與透明的聚合物基底很好地結合。在這里，Lanz等[41]研制出了可持續(xù)發(fā)出黃光的大面積織物，發(fā)光時間超過180 h。這種價格低廉、柔軟且透明的紡織物在發(fā)光衣物、標志以及建筑裝飾等領域有潛在的應用價值。并且該發(fā)光織物的制備工藝更加簡單，通過在一個透明的織物電極中噴涂一層發(fā)光單元即可實現?？椢镫姌O由鍍銀銅線和聚合物纖維編織而成，銅線及聚合物纖維中均涂有導電油墨。Choi等[42]研發(fā)了一種具有較好的水蒸氣透過率、高透明度、高曲率柔性、防水性能和接近室溫的多功能封裝工藝，如圖5(a)所示，用來實現可靠、可折疊和可清洗的基于紡織物的有機發(fā)光二極管。該有機發(fā)光二極管在室外環(huán)境條件下顯示出160 h的工作壽命。而且在半徑為1.5 mm的拉伸彎曲1000次后仍保持了其光電特性和工作壽命。此外，即使在水中浸泡1440 min，該有機發(fā)光二極管也顯示出不變的光電特性。Sha等[43]使用有效剝離技術將氮化鎵(InGaN)/銦鎵氮(GaN)與多量子阱(Multiple quantum well, MQW)薄膜轉移到織物上。InGaN/GaN MQWs薄膜的物理特性通過原子力顯微鏡和高分辨率X射線衍射來表征，表明轉移的薄膜不會受到巨大的損傷。在轉移到織物上的薄膜中觀察到優(yōu)異的柔韌性，壓電—光電效應增強了光致發(fā)光的強度，通過施加外部環(huán)境的刺激，薄膜曲率增加到6.25 mm，光致發(fā)光強度增加了約10%。Wu等[44]使用基于溶液的金屬化在針織紡織品的開放式框架結構上涂覆金膜，如圖5(b)所示，以形成高導電的金涂層透明電極，并且電導率在200%應變下變化率小于2。模版印刷防蠟劑可提供圖案化的電極，用于圖案化的發(fā)光。此外，結合軟接觸層壓可生產出發(fā)光紡織品，該紡織品首次表現出易于改變的照明模式。

圖5 織物光致發(fā)光在智能可穿戴的應用

3 能量轉換與存儲設備

為了確?？纱┐麟娮赢a品的可持續(xù)運行，開發(fā)可靠的智能可穿戴電源系統和能量管理設備非常重要[45]。作為可穿戴電子產品不可缺少的一部分，可穿戴能源設備可以分為兩類：能量轉換設備和儲能設備。能量轉換裝置，如太陽能電池[46]、摩擦電納米發(fā)電機[47]和熱電發(fā)電機[48]，將其他形式的能量，如光、身體運動能量和熱能，轉換為電能。儲能設備，如超級電容器[49]和金屬離子電池[50]，可以儲存電能，并為智能可穿戴電子設備供能[51]。

3.1 能量轉換設備

機械和熱能是普遍可用的，特別是來自外部環(huán)境和人體運動的。纖維形狀的能量收集裝置可以被編織成紗線或織物以構建大規(guī)?？纱┐麟娮酉到y，其可以從外部環(huán)境和人體運動收集能量給智能可穿戴電子設備供電。目前，主要有3種基于光伏、摩擦電、熱電的能量采集裝置，將在本節(jié)中討論。

長期以來，太陽能一直被認為是解決當今世界能源危機的有效途徑。Liu等[46]通過設計陰極和陽極纖維的交錯結構，如圖6(a)所示，首次使用工業(yè)織機實現了適用規(guī)模的納米級有機光伏紡織品。這種新穎的結構成功地將器件制造、紡織品編織和電路連接全部集成在一個模塊中，使用工業(yè)織機的方法顯著提高了有機光伏紡織品的性能并促進了其商業(yè)化。Song等[52]制備了高柔性的二硫化鉬(MoS2)/碳化鈦(TiC)/碳(C)納米纖維薄膜，并將其用作柔性染料敏化太陽能的無Pt和無透明導電氧化物。然后將導電氧化物與織物結合形成光伏紡織品。

摩擦電是指一種材料通過與另一種材料接觸或摩擦而帶電的現象。借助接觸帶電和靜電感應的耦合作用，摩擦電納米發(fā)電機(Triboelectric nanogenerator, TENG)可以將分布廣泛但始終被忽略的機械能轉化為電能。Cheng等[47]研發(fā)了一種自熄的阻燃紡織品摩擦電納米發(fā)電機，該發(fā)電機既具有出色的能量轉換能力，又具有防火功能。阻燃棉織物是其重要組成部分，它是通過簡單有效的層層自組裝方法，結合磷氮(聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine, PEI)和三聚氰胺(Melamine, MEL)作為陽離子聚電解質溶液，植酸(Phytic acid, PA)作為陰離子電解質溶液)，系統地研究了溶液濃度和沉積時間的影響。由于其出色的性能，還被用作自供電的能量轉換裝置，以點亮穿戴在消防員制服上的警告LED以及森林定位傳感器，即使在火災中也能傳輸各種信號?；诳椢锏腡ENG的開發(fā)因其耐磨性以及從人體運動中清除能量以可持續(xù)地為可穿戴功能電子設備提供動力的能力而受到廣泛關注。然而，同時提供高輸出功率、連續(xù)大規(guī)模制造能力、易于與服裝制造工藝相結合、可洗性和用戶穿著舒適的特性的挑戰(zhàn)仍然存在。在這里，Huang等[53]設計和制造TENG紡織品的方法，如圖6(b)所示，導電鍍銀的布料和與層壓尼龍線結合，就實現了獨立式TENG紡織品。TENG紡織品可以從人體運動中轉換各種類型的能量，能夠點亮LED，并且可以為智能手表供電。

柔性熱電發(fā)電機(Thermal electric generator, TEG)可以利用人體熱量轉換為電能，TEG可以與人體皮膚進行保形接觸，充分利用人體熱能，將能量損失降至最低，同時佩戴舒適。在這里，Wu等[48]研究設計了一種3D織物TEG結構。通過使用3D織物作為基材和涂有熱電材料的紗線，可以實現可穿戴且靈活的TEG。所設計的發(fā)生器具有夾層結構，類似于經典的無機發(fā)生器，允許在織物厚度方向產生溫差，從而使其具有可穿戴性，并在體熱轉換中顯示出廣闊的應用前景。Kim等[54]制造了具有不同設備參數的柔性TEG，并使用人工手臂評估了TEG的發(fā)電性能，該人工手臂經過精心設計以模仿真實的人類手臂，展示了TEG設備參數在各種情況下對發(fā)電性能的影響。濕氣發(fā)電作為一種新興的新能源收集技術，是提供可再生和清潔電力的最佳選擇。Sun等[55]通過引入活性頂部電極開發(fā)了一種基于濕氣發(fā)電機(MEG)的離子梯度增強型聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN)/聚苯乙烯磺酸(Polystyrene sulfonic acid, PSSA)PAN/PSSA納米纖維織物，如圖6(c)所示。電紡納米纖維織物和多孔活性電極組成的離子梯度增強型MEG為同時解決瞬時和低電輸出提供了完美的解決方案。組裝后的MEG可以產生1.1 V的持續(xù)電壓輸出40000 s，沒有任何弱跡象，達到所有報告的MEG中的最高水平。

圖6 織物能量轉換在智能可穿戴的應用

3.2 能量儲能設備

隨著智能可穿戴電子設備的不斷擴大，各種形式的柔性儲能設備越來越受到人們的關注。其中，基于織物的超級電容器和金屬離子電池，顯示出優(yōu)異的靈活性、延展性、便攜性和變形適應性，非常適用于智能可穿戴電子設備的供能。

適用于智能可穿戴電子設備的柔性可拉伸超級電容器處于智能紡織品新興領域的前沿。在這種情況下，Lee等[56]研發(fā)了一種由碳纖維組成的柔性智能纖維超級電容器，該碳纖維既可用作電極，也可用作集電器。此外，凝膠電解質用于離子轉移和電極分離，該超級電容器表現出強大的儲能性能。Lima等[49]研發(fā)了一種超級電容器，該超級電容器能夠使用佩戴者的汗水作為電解質。內電極和外電極由導電聚合物聚吡咯(Polypyrrole, PPY)功能化的碳基線組成，可提高超級電容器的電化學性能。內電極涂有醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA)纖維，作為隔膜，外電極纏繞在它周圍。提高了該電容器的循環(huán)穩(wěn)定性。Wei等[57]選用柔軟導電的不銹鋼絲作為基材和集電體，如圖7(a)所示，所獲得的基于氧化鎳鈷的紗線狀電極具有超薄二維納米片分層陣列并且在導電不銹鋼紗線基底上無黏合劑貼合，表現出更高的比電容和更好的循環(huán)穩(wěn)定性。

與超級電容器相比，金屬離子電池具有高能量密度和高工作電壓的優(yōu)點。金屬離子電池可以編織在紡織品中，作為可穿戴織物的電源的解決方案之一，為未來的智能可穿戴電子設備提供便捷的供電方式。鋅離子電池(ZIB)具有各種氧化錳基陰極，為基于織物的柔性儲能設備提供了一種解決方案。Xiao等[50]研發(fā)了一種高性能鋅(Zn)/二氧化錳(MnO2)纖維電池，如圖7(b)所示，該電池使用石墨烯嵌入聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)水凝膠電解質中，通過石墨烯和ZnSO4/MnSO4鹽析的協同作用。其循環(huán)性能穩(wěn)定超過500 h，同時在超過1000次充電循環(huán)后仍保持98.0%的容量。Yong等[58]研發(fā)了一種柔性水性ZIB，其錳基陰極在單一的編織聚酯棉紡織品中制造。該紡織品被功能化為柔性聚合物膜層，膜層填充在紡織紗線之間的間隙，從而能夠精細控制噴霧沉積的氧化錳陰極和鋅陽極的滲透深度。這在紡織聚合物網絡中留下了一個未涂覆的區(qū)域，該區(qū)域充當電池的隔膜。將電池用含水電解質真空浸漬，使電極與電解質具有良好的潤濕性。

圖7 織物能量存儲在智能可穿戴的應用

4 結 語

電子織物在智能可穿戴具有巨大的潛力，并且已成為智能可穿戴領域最有前景的分支之一。本文從電子織物的傳感器、發(fā)光電子、能量轉換和存儲回顧了電子織物的最新進展。盡管已經證明了電子織物在功能多樣性方面的巨大成就，但仍然存在阻礙電子織物的實際應用挑戰(zhàn)。

首先，與傳統的器件相比，電子織物表現出相對較差的性能。盡管已經報道了各種方法增強電子織物的性能，例如引入更多的導電材料或設計器件結構，以增強電子織物的性能，但尚未真正實現他們的電性能和機械性能之間的平衡。此外，電子織物的循環(huán)穩(wěn)定性和可洗性也需要提高。其次，為了充分實現電子織物在商業(yè)應用中的潛力，必須進行技術革新來大規(guī)模生產電子織物，同時還要確保電子織物的性能滿足實際應用的要求。目前電子織物主要以實驗室規(guī)模手工編織成，為了促進大規(guī)模制造，有必要開發(fā)新的高效的機織技術，以實現開放式制造電子紡織品。最后，由于目前缺乏統一的技術和測試標準，很難比較電子織物的性能。電子織物的參數計算方法在不同的報告中不一致，因此很難在不同的功能甚至相同的功能之間進行比較。此外，評估電子織物的彎曲，拉伸和扭曲的能力是智能可穿戴設備柔韌性的重要屬性，但是到目前為止還沒有統一的評估標準。

綜上所述，電子織物作為一種新型的智能紡織品，在智能穿戴領域具有巨大的潛力。未來，具有獨特結構和各種功能的集成特性的電子織物有望融入人們的生活中，不僅可以滿足日常穿著的需求，還可以服務于個性化健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、智能醫(yī)療和人機界面的新興領域。盡管電子織物在各個方面取得了巨大的進展，但仍然存在許多挑戰(zhàn)?？梢韵嘈?，在不同領域研究人員的不斷努力下，電子織物的設計、功能和性能將得到進一步提高，從而推動電子織物在智能可穿戴領域的進一步發(fā)展，走向光明的未來。