具自主传感的感温纤维集成智能运动服装解决方案

　　智能服装在人体监控和可穿戴领域显示出良好的潜在应用价值。然而，目前大多数可穿戴传感器不能与普通服装无缝集成。它们直接粘附在人体皮肤上或包裹在织物中，导致穿着体验不佳。基于纺织品的柔性传感器因其舒适性而成为智能服装的潜在候选。基于纺织品的理想传感材料应该是衣服的一部分，不需要任何硬部件。因此，将可穿戴传感器与服装集成，甚至从根本上将其做成集成服装是非常必要的。

 

　　最近，研究人员在美国国家科学院院刊上发表了一篇文章，通过微流体纺丝制备了具有自诱导和自冷却性能的多尺度无序多孔弹性聚氨酯(MPPU)纤维。借助于负载在MPPU纤维上的石墨烯纳米片，实现了对服装的实时传感，纤维的多尺度无序多孔结构赋予了织物优异的自冷却性能。该一体化智能运动服可以测量体温，跟踪肢体运动，采集人体微小的生理信号，并具有自冷能力。

 

　　纤维制备:如图1所示，采用基于相分离的微流体纺丝法形成MPPU纤维。设计的聚甲基丙烯酸甲酯芯片采用同轴流道，三个入口通道用于纤维制备。芯流道注入聚氨酯(PU)/二甲基亚砜(DMSO)纺丝液，对称鞘流道注入非溶剂(去离子水/DMSO，5:1(v/v))。基于非溶剂诱导相分离原理，纤维凝胶可以在同轴流道中固化。具体来说，当分散的聚氨酯分子链在同轴通道中遇到非溶剂时，去离子水和二甲基亚砜溶剂之间的快速扩散导致聚氨酯链的聚集以及与二甲基亚砜和宏观纤维的相分离。同时，“流体动力聚焦和排列”效应导致聚合物分子沿流动方向排列。制备的MPPU纤维可以连续缠绕在滚筒上收集。MPPU纤维表面光滑，内部多尺度无序多孔结构。

 

　　具有多尺度无序多孔结构的温度传感纤维的自冷却性能:如图2所示，在相同的加热阶段比较纤维(MPPU、棉花、商用莱卡)及其织造织物。红外热像分别记录在30、45和60℃的台面温度下。结果表明，MPPU10的颜色对比度最低，温度与表温最接近，说明样品的散热性能最好。此外，在这些织物在加热(20-40℃)和冷却(40-20℃)期间的实时温度曲线中，MPPU10显示出非常快的加热和冷却能力。

　　图1多尺度无序多孔弹性纤维制造示意图。(一)微流控纺丝工艺和纤维形成机理。和(b)微流体芯片的通道图案的光学图像。(c)收集的MPPU纤维和(d)具有扁平结构的轻质织物。从纵向观察的机织物的扫描电镜图像和MPPU纤维。(g–I)不同放大倍数下纤维的径向横截面。

 

　　图-2-2mPPU光纤的自冷却性能。(a，b)MPPU、棉花和商用莱卡分别在30℃、45℃和60℃时的自冷却行为(环境温度为28℃)。(c，d)不同织物在20至40℃之间的动态加热/冷却下的温度曲线。(e，f)加捻纤维或机织物与背景表的绝对温差(|δt|)。

 

　　自主传感能力:如图3所示，通过在MPPU纤维上负载石墨烯导电墨水，可以得到石墨烯改性的MPPU(g@mppu)纤维，纤维可以被拉伸到200%甚至400%。图3c中的G@MPPU10纤维显示出高度应变敏感的行为。图3d中的GF显示G@MPPU10的GF纤维在大拉伸应变(大于50%)下显著增加，但在小拉伸应变(小于50%)下略有增加。这种传感器灵敏度高，传感范围宽，在全范围人体运动记录方面有很大的潜力。如图3h所示，石墨烯修饰的MPPU纤维呈现负TCR行为，随着温度的升高，载流子迁移率提升，呈现-0.815%/℃的灵敏度，可以监测人体皮肤表面的温度变化。

　　图-3G@MPPU光纤的应变传感(a-g)和温度传感(h-j)性能。


　　图4智能服装及其在运动和生命信号监测中的应用。

 

　　集成智能运动服:如图4所示，智能服装设计了9个可能的感官区域，分别标注为传感器A(颈部监控)、B(肩部监控)、C(胸部监控)、D(腰部监控)、E(手腕监控)、F(手指监控)。通过单独或组合使用传感器A–F，可以记录和区分细微的生理信号捕捉和肢体运动。穿上这款智能运动服，可以轻松监控和记录人类活动的全方位信息。