織物超級電容：新一代可穿戴設備供電的新選擇！

導讀

近日，美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校材的科學家團隊開發出一種製造電荷存儲系統的新方法，該系統能夠簡便地集成到衣物中。

背景

如今，可穿戴感測器已經成為用於人體健康監測的一項重要創新技術。可穿戴感測器能監測的生理參數包括：心率、體溫、運動量、汗液、睡眠、卡路里、血壓、血氧、葡萄糖等，甚至還可用於檢測重度癲癇、糖尿病等疾病發作，甚至可以用於監測傷口癒合情況。

檢測重度癲癇發作的智能手環（圖片來源：LivAssured）

檢測血氧水平的柔性感測器（圖片來源：Yasser Khan，加州大學伯克利分校Arias研究組 ）

檢測與治療糖尿病的智能腕帶（圖片來源：Hui Won Yun, 首爾大學）

可是，目前開發用於健康監測的可穿戴感測器，所面臨的主要障礙之一就是：缺少輕量、持久的電源。

創新

近日，美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校材料化學家 Trisha L. Andrew 帶領的科學家團隊，開發出一種製造電荷存儲系統的新方法。該電荷存儲系統能夠簡便地集成到衣物中，也就是說，「將電荷存儲圖案綉到衣服上」。

（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校 / Trisha Andrew）

這項研究的相關細節在線發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

技術

Andrew 解釋道：「電池或者其他類型的能量存儲系統，在大多數攜帶型、可穿戴、可消化或者柔性的技術設備中，仍然屬於『制約性』元件。這些設備通常都太大、太重且不具備柔性。」

他們的新方法使用了一個微型超級電容，並且將氣相塗覆的導電線與高分子膜相結合，加上一種特殊的縫紉技術，創造出織物背襯上的電極對齊形成的柔性網狀物。生成的固態設備，在其尺寸上存儲電荷的能力很強，並具備使之能為可穿戴生物感測器供電的其他特徵。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Andrew 補充道，雖然研究人員顯著縮小許多不同的電子電路元件的尺寸，但是直到如今，卻無法縮小能量存儲設備的尺寸。「我們通過這篇論文展示，我們可以採用我們實驗室製造的氣相塗覆的線，將能量存儲圖案逐個綉到衣服上。這項研究為在自供電智能織物上簡便地縫紉電路打開了大門。」

Andrew 與博士後研究員、論文第一作者 Lushuai Zhang 以及化學工程專業的研究生 Wesley Viola 指出，超級電容是可穿戴的電荷存儲電路的理想候選方案，因為它們天生就比電池具有更高的功率密度。

但是，他們補充道：「將具備高導電率與快速離子輸運的電化學活性材料集成到織物中，是極具挑戰性的。」 Andrew 及其同事們為我們展示了，他們的氣相塗覆工藝製造出了位於密集扭曲的紗線上的多孔導電聚合物。這種紗線很容易充滿電解質離子，相比於之前的染色或突出的纖維，每個單位長度都能保持較高的電荷存儲容量。

馬薩諸塞大學安姆斯特分校可穿戴電子實驗室主任 Andrew 表示，織物科學家們不想採用氣相沉積技術，是因為這項技術難度大、成本高。但是，就在最近，研究顯示這項技術能大規模應用，並能保持低成本。

目前，她和她的團隊正在與馬薩諸塞大學安姆斯特分校應用生命科學研究所個性化健康監測中心的夥伴們展開合作，將新型繡花電荷存儲陣列與電子織物感測器以及低功率微處理器相結合，打造出能一整天監測個人步態和關節運動的感測器。

回顧

介紹完這項打造織物超級電容的新成果之後，也許大家還想了解更多這方面的創新成果。接下來，筆者索性帶大家回顧一下以往介紹過的有關織物超級電容以及智能織物供電方面的創新技術。

1）新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家設計的織物般的電源，它經過剪切、摺疊或者拉伸後並不會喪失功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

2）英國曼徹斯特大學開發的固態的柔性超級電容設備。通過絲網印刷技術，採用導電的石墨烯氧化物油墨，可以直接將它列印在紡織品例如棉織物上。

（圖片來源：曼徹斯特大學）

3）美國德雷塞爾大學的一組研究人員設計出一種類似織物材料的電極，用它可以製作成能量存儲設備，例如電池和超級電容，更加快速、更不易泄露或者發生災難性崩潰。

（圖片來源：德雷塞爾大學 ）

4）美國喬治亞理工學院的研究人員開發的纖維織物，可同時從陽光和運動中得到能量，為可穿戴設備、智能手機、智能設備等電子產品供電，而且成本低廉，可進行規模化生產。

（圖片來源：喬治亞理工學院）

5）瑞典科學家開發的可將動能轉化為電能的壓電織物，受到負荷越大，就變得越濕潤，產生的電力也越多。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學）

6）美國得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）與韓國漢陽大學科學家領導的國際科研團隊開發的高科技紗線「Twistron」，能在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。

（圖片來源：UTD）

7）美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校的科研人員開發的透氣、柔韌、不含金屬的電極，集成這種電極的智能衣服將實現自供電。

（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）

關鍵字

感測器、可穿戴技術、超級電容、智能織物

參考資料

【1】http://www.umass.edu/newsoffice/article/umass-amherst-materials-scientist-creates

【2】http://dx.doi.org/10.1021/acsami.8b08408

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