中科院纳米能源所王中林院士团队：纤维/织物基压电和摩擦电纳米发电机应用于可穿戴电子和人工智能系统

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将先进的纳米发电技术与传统纺织工艺相结合催生出基于纺织结构的纳米发电机（NGs）。这种结合将不可避免地推动下一代可穿戴电子设备和多方面人工智能系统的快速发展和广泛应用。纳米发电机赋予了智能纺织品以机械能采集和多功能自驱动传感能力，而纺织品则为其发展提供了多样化柔性设计载体和广泛的可穿戴应用平台。然而，由于在纳米发电机的设计者和专注于智能纺织品的研究者之间缺乏有效的交互平台和沟通桥梁，很难设计出既具有优异电输出性能又具有突出纺织相关性能的纺织基纳米发电机。为此，这篇综述从基本分类、材料选择、制备方法、结构设计、工作原理和潜在应用等角度对目前纺织相关的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机进行了详细地概括和分析。另外，对阻碍其大范围商业化应用的潜在困难和挑战也进行了介绍和分析。本项工作旨在加深智能纺织品与可穿戴纳米发电机的联系，同时推动可穿戴纳米发电机的进一步研究和应用。

近年来，中科院纳米能源所王中林院士团队在纤维和织物基压电和摩擦纳米发电机方面取得了一系列研究工作，相关工作综述成果以题为“Fiber/Fabric-Based Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and Artificial Intelligence”发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials上。论文的第一作者为北京纳米能源与系统研究所董凯副研究员和彭晓博士，通讯作者为王中林院士。

图1 纺织基压电和摩擦电纳米发电机的应用展示

该综述文章对智能纺织材料进行了详细的探讨，包括目前纺织品的分类、导电纺织品的选用材料和制备方法等方面进行论述。从结构维度和制备工艺两个方面对现代纺织品进行分类。从结构维度方面，可以分为零维纤维、一维纱线、二维织物和三维织物。从制备工艺方面，又可以分为机织、针织、编织和非织等方法。对于导电纺织材料，从常用的导电材料和常采用的导电材料施加方法等方面进行介绍。常用的导电材料包括金属及其衍生物、导电聚合物、碳质填料、液态电极和混合填料等。常见的导电介质施加方法包括涂层、纺丝、电镀和打印等。

图2 从结构维度和制备工艺两个方面进行纺织品分类

图3 对于导电纺织材料常用的导电材料及其施加方法

之后，该综述对纤维基或织物基压电纳米发电机和摩擦纳米发电机进行了详细地归纳介绍和分析。并对两者发电机理、工作模式和电信号特征进行了分析和探讨。该综述对于压电纳米发电机的展开主要分为三个部分，分别为基于单根纤维的压电纳米发电机、基于纤维织造结构织物基压电纳米发电机和基于多层堆叠结构的织物基压电纳米发电机。对于摩擦纳米发电机的展开则分为四个部分，分别为基于单根纤维的摩擦纳米发电机、基于纤维织造结构的织物基摩擦纳米发电机、基于织物堆叠结构的织物基摩擦纳米发电机和其他与纺织相关的纺织基摩擦纳米发电机。在这四个部分中，根据工作模式，单根纤维摩擦纳米发电机又可进一步被分为单电极模式和具有对电极的接触分离模式。根据施加载荷运动方向，基于纤维织造结构的织物基摩擦纳米发电机也可以分为垂直上下运动模式和水平运动的独立层模式。其他纺织相关的纺织基纳米发电机则主要包括静电纺纳米纤维网状结构和纺织材料融入的膜状结构。将目前已经报道的纺织基纳米发电机与这些分类类别进行对应。

在结论和展望部分，该综述对纺织基纳米发电机在可穿戴电子和人工智能两个领域的应用进行了论述。对于可穿戴电子，基于纳米发电机的智能纺织品可以实时采集人体运动机械能，将其转换为可持续的电能，作为人体日常可穿戴电子设备迫切需要的电能，维持这些电子器件的基本工作。也可以直接将产生的电信号作为各种传感设备的信号来源，用于监测或感测各种作用于人体的信号。对于人工智能，纺织基纳米发电机将为人工智能的发展提供可行的实施方案和多样化的沟通渠道。原则上，纺织基纳米发电机可以应用于人工智能的各个方面，诸如健康、服装、教育、军事、金融、通信、体育、运输等等。

图4 纳米发电机在人工智能领域中的应用

尽管纺织基纳米发电机在理论研究和多方面的应用展示方面已经取得了巨大的成就，然而与实际的大规模商业化应用仍存在巨大的差距。该综述对目前纺织基纳米发电机走向大规模商业化应用存在的挑战和困难也进行了探讨和分析。这些潜在的挑战主要包括工作稳定性、各种服用性、工业化制备、电输出能力、评价标准和目标市场等几个方面。尽管这些潜在的问题严重阻碍了纺织基纳米发电机的应用进展，但是其大规模发展和商业化应用已经成为不可避免的趋势。我们坚定的相信这些问题和挑战将随着科学技术的进步而得到很好解决。总而言之，我们认为纺织基纳米发电机将成为未来人类日常穿着织物的主流。

图5 纺织基纳米发电机大规模商业化应用的潜在挑战

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902549

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