用于人體信號(hào)監(jiān)測的多功能熱電織物

柔性電子器件因其靈活性、舒適性、多功能性和高靈敏度而備受關(guān)注，集成了柔性電子元件的可穿戴傳感系統(tǒng)被廣泛用于實(shí)時(shí)監(jiān)測人體信號(hào)和危險(xiǎn)警報(bào)。然而，這些系統(tǒng)通常需要外部電源和頻繁充電。開發(fā)從人體微環(huán)境中獲取能量而非依賴外部電源的自供電傳感系統(tǒng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

近日，江南大學(xué)王強(qiáng)教授課題組制備了一種柔韌、反應(yīng)靈敏、高拉伸性和高透氣性的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）/多壁碳納米管（PEDOT/MWCNT）熱電織物，可用于消防服絕緣層破損（溫度）和消防員移動(dòng)異常（應(yīng)變）的雙參數(shù)協(xié)同感應(yīng)。

研究人員基于PEDOT和MWCNT出色的塞貝克效應(yīng)，將PEDOT/MWCNT@PLF組裝成自供電溫度傳感器，并在室溫下進(jìn)行了溫度靈敏度測試。結(jié)果表明，即使經(jīng)過1000次彎曲，該熱電織物的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)也僅有輕微下降，具有良好的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。基于靈敏、穩(wěn)定的溫度識(shí)別和連續(xù)自供電性能，當(dāng)玻璃棒和手指接觸該溫度傳感器時(shí)，分別出現(xiàn)了微弱的負(fù)信號(hào)和較強(qiáng)的正信號(hào)，溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間僅為0.60 s。

基于熱電效應(yīng)的PEDOT/MWCNT@PLF溫度傳感測試

PEDOT/MWCNT@PLF傳感器不僅對(duì)溫度敏感，而且具有良好的機(jī)械性能和拉伸性，每個(gè)織物樣品都能完成超過320%的應(yīng)變，完全適合用于人體關(guān)節(jié)健康監(jiān)測的智能可穿戴設(shè)備。而且，該應(yīng)變傳感器對(duì)于不同的手指彎曲角度（30°、45°、60°和90°）也會(huì)響應(yīng)正相關(guān)的電信號(hào)，因此利用集成在手腕上的應(yīng)變傳感器可以分辨手腕彎曲的幅度。

PEDOT/MWCNT@PLF應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感性能和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

PEDOT/MWCNT@PLF具有靈敏的溫度識(shí)別能力、良好的機(jī)械性能和拉伸性，因此被開發(fā)成一種自供電雙參數(shù)傳感器，具有健康異常和溫度閾值警報(bào)功能。雙模式傳感器被集成到手腕、手指、膝蓋和腳踝等身體關(guān)節(jié)處，以實(shí)時(shí)檢測使用者的運(yùn)動(dòng)；集成到舒適層和隔熱層之間，可以監(jiān)測消防服的破損情況。一旦消防員在事故現(xiàn)場被困或受傷，或消防服隔熱層的溫度達(dá)到臨界值，雙參數(shù)傳感將實(shí)時(shí)提醒消防員健康異常，并提醒基地工作人員及時(shí)實(shí)施救援，保護(hù)消防員的人身安全。

根據(jù)該傳感器相對(duì)電阻可重復(fù)和有規(guī)律的變化，可以區(qū)分手腕、手指和腳踝的信號(hào)。如果信號(hào)相對(duì)較小，則說明消防員處于危險(xiǎn)之中，需要立即得到支持和幫助。另一方面，當(dāng)智能手套靠近火焰時(shí)，PEDOT/MWCNT@PLF的兩端形成了體溫與火焰溫度之間的溫差，因此該傳感器可以快速響應(yīng)熱電壓信號(hào)，離開高溫環(huán)境后，熱電壓信號(hào)消失。當(dāng)輸出的熱電壓超過閾值時(shí)，提醒消防服已損壞，必須及時(shí)更換或降溫，確保人身安全。

自供電傳感器集成到消防服中的實(shí)際應(yīng)用

相關(guān)研究成果以“Highly stretchable, sensitive, and multifunctional thermoelectric fabric for synergistic sensing systems of human signal monitoring”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials上。