全纖維功率紡織品，利用不同的工作原理，如摩擦電、電磁學(xué)和壓電學(xué)來收集人體運動機械能。然而，受其工作原理的限制，全纖維功率紡織品通常依賴多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如將不同功能的層進行三維堆疊，或?qū)⒑藲そY(jié)構(gòu)的功率纖維編織成層。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅使功率紡織品的能量收集功能單一，而且限制了其功率密度的進一步提高。此外，多層結(jié)構(gòu)也對功率紡織品的穿著舒適性和機械穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣的新型能量收集技術(shù)，對于推動智能織物和可穿戴電子產(chǎn)品的實際發(fā)展至關(guān)重要。
圖1 單層結(jié)構(gòu)全纖維織物及其工作原理
近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員、王中林院士團隊報道了一種單層結(jié)構(gòu)的多功能全纖維織物來收集人體機械能。具體方法是將導(dǎo)電纖維（直徑可以比頭發(fā)絲細）集成到商用紡織品的任何位置，在不犧牲穿著舒適性的前提下，通過靜電感應(yīng)原理來收集紡織品自身摩擦時界面靜電擊穿產(chǎn)生的靜電能。這種新的能量收集機制已經(jīng)在他們最近的工作中得到了驗證（Sci. Adv. 2024, 10, eado5362）。該單層功率紡織品克服了靜電擊穿對輸出性能的限制，實現(xiàn)了高平均功率密度（2 W m-2 Hz-1），是目前全纖維功率紡織品的2倍，此外，安全的靜高電壓（超過6 kV）創(chuàng)造性地賦予了全纖維織物的空氣凈化和抗菌功能，在收集人體機械能的同時促進了人體健康。同時，提出了一個量化的紡織材料摩擦系列，包含64對商用紡織材料對，不僅展示了此策略的普適性，并為大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。最后，展示了其在自驅(qū)動智能服裝中的應(yīng)用。該工作以“A Multifunctional Power Textile Based on Interfacial Electrostatic Breakdown”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2025, e09809）。文章第一作者是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所何禮霞博士和高毅奎博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖2 穿戴舒適性測試
圖3 電學(xué)輸出性能的調(diào)控與優(yōu)化
圖4 商用紡織品材料對的量化摩擦序列
圖5 應(yīng)用展示
該工作提出了一種全新的全纖維功率紡織品策略，通過一種簡單而有效的設(shè)計，將導(dǎo)電纖維縫入商用紡織品中，以有效地就地收集人體機械能。用導(dǎo)電纖維代替原有的紡織纖維，既保留了原有的紡織結(jié)構(gòu)，又保持了穿著舒適性，具有廣泛的材料兼容性和可擴展性。更重要的是，導(dǎo)電纖維通過紡織品之間的靜電擊穿效應(yīng)捕獲靜電能量，克服了傳統(tǒng)靜電擊穿對輸出功率的限制。這一突破性技術(shù)不僅實現(xiàn)了高功率密度，而且還產(chǎn)生了高安全電壓（6千伏），創(chuàng)造性地提供了空氣凈化和抗菌的多功能。總體而言，該工作以極簡的結(jié)構(gòu)、高輸出功率和多功能特性，使智能紡織品有效地收集人體機械能，促進人體健康。通過集成柔性的電源管理電路和各種可穿戴傳感器，此策略為實現(xiàn)自供電健康監(jiān)測、環(huán)境傳感和人機交互提供了堅實的基礎(chǔ)。
原文鏈接 http://doi.org/10.1002/adfm.202509809
