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  智能服裝在人體健康監(jiān)測和自適應(yīng)等可穿戴領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前的可穿戴傳感器往往因難以與普通服裝無縫結(jié)合而限制了傳感能力和穿戴體驗。

  為了嘗試解決這個問題，并賦予服裝穿戴舒適性，青島大學曲麗君教授團隊和深圳大學張學記教授團隊合作，通過微流控紡絲技術(shù)制備了具有多尺度無序多孔結(jié)構(gòu)的彈性纖維（MPPU），該纖維具有非常好的導熱性能，可給人帶來接觸涼感的舒適感受。經(jīng)石墨烯改性后，研究發(fā)現(xiàn)該纖維具有優(yōu)異的拉伸和溫度傳感性能，可作為傳感單元，通過普通的紡織織造方式，無縫的制作出將應(yīng)變、溫度傳感和涼感集成于一體的智能運動衣（圖1）。

圖1. 智能運動衣是采用微流控紡絲技術(shù)和石墨烯后處理制得的彈性纖維，通過常規(guī)織造方式構(gòu)建而成，兼具自感應(yīng)和自冷卻的性能。這種智能服裝在人體健康監(jiān)控和自適應(yīng)方面存在著廣泛的應(yīng)用潛力。

圖2. MPPU纖維的成型機理和自冷效應(yīng)。a)徑向多孔結(jié)構(gòu)形成過程示意圖。b) MPPU纖維形成過程的時間尺度和不同時間節(jié)點上的橫截面SEM照片。c)MPPU₁₀纖維納米和微孔的尺寸分布。d)普通面料與MPPU面料的對比示意圖。e)棉、萊卡、MPPU₁₀面料的紅外光線透過率。f) MPPU彈性纖維的力學性能。g, h) 50g載荷下MPPU₁₀纖維的拉伸行為。

  微流控紡絲技術(shù)是近年來新興的一種紡絲技術(shù)，利用微流體的層流特性和擴散特性，可通過改變芯片中微通道設(shè)計、流體粘度、微通道中流體流速等參數(shù)來調(diào)控纖維的結(jié)構(gòu)和尺寸，在結(jié)構(gòu)可控功能可設(shè)計纖維材料的制備上具有獨特優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。本文采用微流控紡絲技術(shù)，通過控制紡絲液濃度和微流體在芯片通道內(nèi)的流速比，制備出具有多尺度無序多孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯彈性纖維，并對其在微通道內(nèi)的形成過程進行了探索研究（圖2）。與普通織物相比，獨特的多尺度無序多孔結(jié)構(gòu)使得MPPU纖維對人體紅外輻射具有較高的透過率，使得皮膚與衣物之間的微環(huán)境溫度比同等厚度的棉織物下降至少2.5℃。且通過石墨烯改性后的MPPU纖維還具有高應(yīng)變系數(shù)(GF)和熱阻系數(shù)(TCR)，因而具有實時的應(yīng)變和溫度傳感能力，可以用于監(jiān)測體溫、跟蹤人體運動狀態(tài)以及收集心率等生理信號(圖3)。

圖3. 智能運動衣示意圖及其在人體運動和生命信號監(jiān)測中的應(yīng)用。a) 智能運動衣的前、后、側(cè)視圖，設(shè)計了9個感知區(qū)。G@MPPU傳感感知區(qū)的響應(yīng)曲線:b)吞咽、c)說話、d)拉伸運動、e)行走、f)擴胸、g)呼吸、h)側(cè)扭、i)脈搏、j)手指彎曲。k, l)基于藍牙的無線監(jiān)測示意圖和照片。m)通過手機APP接收到的各種手指彎曲動作的數(shù)據(jù)。

  以上成果近期發(fā)表于學術(shù)期刊ACS NANO（影響因子：13.093），論文題目為“Multiscale Disordered Porous Fibers for Self-Sensing and Self-Cooling Integrated Smart Sportswear”，該論文共同第一作者為青島大學博士研究生胡希麗和田明偉副教授，共同通訊作者青島大學曲麗君教授、深圳大學張學記教授以及北京科技大學許太林教授，青島大學為第一單位，北京科技大學、曼徹斯特大學和深圳大學為合作單位。

  青島大學智能可穿戴技術(shù)研究中心成立于2018年6月，融合電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫(yī)學等多學科與技術(shù)，結(jié)合新材料開發(fā)、傳感新方法及傳感新器件的構(gòu)建與設(shè)計。近期在柔性紡織傳感器（Nano Lett. 2019, 19, 6592?6599；Macromol. Mater. Eng., 2019, 1900244; IND. ENG. CHEM. RES.,2019,58.14,5737; COMPOS. PART. A-APPL. S,2019,117,202）、智能纖維（Carbon,2019,152,106; J. ALLOY. COMPD., 2019, 782,986; CARBOHYD. POLYM.,2014,111,456;）、功能紡織品(ACS APPL MATER INTER，2019,11,46278；IND. ENG. CHEM. RES.,2018,57.40,13437; APPL. SURF. SCI.,2016,377,141; Carbon,2016,96,1166; Carbon,2015,95,625; APPL. SURF. SCI.,2014,317,505; Carbon,2014, 80,565）等研究方向取得了一系列研究成果。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06899