智能服裝在人體監(jiān)控和可穿戴領(lǐng)域顯示出良好的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而，目前大多數(shù)可穿戴傳感器不能與普通服裝無(wú)縫集成。它們直接粘附在人體皮膚上或包裹在織物中，導(dǎo)致穿著體驗(yàn)不佳?；诩徔椘返娜嵝詡鞲衅饕蚱涫孢m性而成為智能服裝的潛在候選。基于紡織品的理想傳感材料應(yīng)該是衣服的一部分，不需要任何硬部件。因此，將可穿戴傳感器與服裝集成，甚至從根本上將其做成集成服裝是非常必要的。

 

　　最近，研究人員在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上發(fā)表了一篇文章，通過(guò)微流體紡絲制備了具有自誘導(dǎo)和自冷卻性能的多尺度無(wú)序多孔彈性聚氨酯(MPPU)纖維。借助于負(fù)載在MPPU纖維上的石墨烯納米片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)服裝的實(shí)時(shí)傳感，纖維的多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)賦予了織物優(yōu)異的自冷卻性能。該一體化智能運(yùn)動(dòng)服可以測(cè)量體溫，跟蹤肢體運(yùn)動(dòng)，采集人體微小的生理信號(hào)，并具有自冷能力。

 

　　纖維制備:如圖1所示，采用基于相分離的微流體紡絲法形成MPPU纖維。設(shè)計(jì)的聚甲基丙烯酸甲酯芯片采用同軸流道，三個(gè)入口通道用于纖維制備。芯流道注入聚氨酯(PU)/二甲基亞砜(DMSO)紡絲液，對(duì)稱鞘流道注入非溶劑(去離子水/DMSO，5:1(v/v))?；诜侨軇┱T導(dǎo)相分離原理，纖維凝膠可以在同軸流道中固化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)分散的聚氨酯分子鏈在同軸通道中遇到非溶劑時(shí)，去離子水和二甲基亞砜溶劑之間的快速擴(kuò)散導(dǎo)致聚氨酯鏈的聚集以及與二甲基亞砜和宏觀纖維的相分離。同時(shí)，“流體動(dòng)力聚焦和排列”效應(yīng)導(dǎo)致聚合物分子沿流動(dòng)方向排列。制備的MPPU纖維可以連續(xù)纏繞在滾筒上收集。MPPU纖維表面光滑，內(nèi)部多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)。

 

　　具有多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)的溫度傳感纖維的自冷卻性能:如圖2所示，在相同的加熱階段比較纖維(MPPU、棉花、商用萊卡)及其織造織物。紅外熱像分別記錄在30、45和60℃的臺(tái)面溫度下。結(jié)果表明，MPPU10的顏色對(duì)比度最低，溫度與表溫最接近，說(shuō)明樣品的散熱性能最好。此外，在這些織物在加熱(20-40℃)和冷卻(40-20℃)期間的實(shí)時(shí)溫度曲線中，MPPU10顯示出非?？斓募訜岷屠鋮s能力。

　　圖1多尺度無(wú)序多孔彈性纖維制造示意圖。(一)微流控紡絲工藝和纖維形成機(jī)理。和(b)微流體芯片的通道圖案的光學(xué)圖像。(c)收集的MPPU纖維和(d)具有扁平結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)織物。從縱向觀察的機(jī)織物的掃描電鏡圖像和MPPU纖維。(g–I)不同放大倍數(shù)下纖維的徑向橫截面。

 

　　圖-2-2mPPU光纖的自冷卻性能。(a，b)MPPU、棉花和商用萊卡分別在30℃、45℃和60℃時(shí)的自冷卻行為(環(huán)境溫度為28℃)。(c，d)不同織物在20至40℃之間的動(dòng)態(tài)加熱/冷卻下的溫度曲線。(e，f)加捻纖維或機(jī)織物與背景表的絕對(duì)溫差(|δt|)。

 

　　自主傳感能力:如圖3所示，通過(guò)在MPPU纖維上負(fù)載石墨烯導(dǎo)電墨水，可以得到石墨烯改性的MPPU(g@mppu)纖維，纖維可以被拉伸到200%甚至400%。圖3c中的G@MPPU10纖維顯示出高度應(yīng)變敏感的行為。圖3d中的GF顯示G@MPPU10的GF纖維在大拉伸應(yīng)變(大于50%)下顯著增加，但在小拉伸應(yīng)變(小于50%)下略有增加。這種傳感器靈敏度高，傳感范圍寬，在全范圍人體運(yùn)動(dòng)記錄方面有很大的潛力。如圖3h所示，石墨烯修飾的MPPU纖維呈現(xiàn)負(fù)TCR行為，隨著溫度的升高，載流子遷移率提升，呈現(xiàn)-0.815%/℃的靈敏度，可以監(jiān)測(cè)人體皮膚表面的溫度變化。

　　圖-3G@MPPU光纖的應(yīng)變傳感(a-g)和溫度傳感(h-j)性能。


　　圖4智能服裝及其在運(yùn)動(dòng)和生命信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

 

　　集成智能運(yùn)動(dòng)服:如圖4所示，智能服裝設(shè)計(jì)了9個(gè)可能的感官區(qū)域，分別標(biāo)注為傳感器A(頸部監(jiān)控)、B(肩部監(jiān)控)、C(胸部監(jiān)控)、D(腰部監(jiān)控)、E(手腕監(jiān)控)、F(手指監(jiān)控)。通過(guò)單獨(dú)或組合使用傳感器A–F，可以記錄和區(qū)分細(xì)微的生理信號(hào)捕捉和肢體運(yùn)動(dòng)。穿上這款智能運(yùn)動(dòng)服，可以輕松監(jiān)控和記錄人類活動(dòng)的全方位信息。