纱线摩擦纳米发电机不仅可以直接编织或针织成透气、灵活、轻便的衣服，而且可以无处不在地从身体运动中获取能量，并监测人体的生物力学和生理信号，在智能生活中展现出巨大的应用前景。目前大多纱线纳米发电机的工作模式需要依赖与其他织物或材料的接触与分离，实现可机械化连续生产的单根纱线作为自驱动的发电机仍然具有挑战性。作为以“形”属性为主要特征的纺织材料，构建能将具有不同杨氏模量、拉伸性、导电性和绝缘性能的功能纤维按照连续和受控的方式定位包裹和精确嵌入基底纱线，并对复合纱形态和结构的精准调控将是解决该难题的突破点。花式纱所具有的非常规的形状特性既可以赋予纱线可调节的机械性能、热导率、电性能和独特的形状可操作性，且花型新颖、款式独特、精致，具有不同的视觉效果。目前，尽管花式纱线已广泛应用于装饰用、产业用和生物医学用纺织品，但关于能量收集纺织品的研究仍鲜见报道。
本文设计了一种具有分层双翼结构的新型多功能三维编织可拉伸分层互锁花式纱线摩擦纳米发电机（3D HIFY-TENG）。该纱线发电机由双半圆翼纱互锁在躯干纱两侧，形状似“蝴蝶”结构。每根翼纱是有导电纱在内、绝缘纱为外的皮芯结构，躯干纱为弹性聚氨酯纱线。由于独特的分层互锁结构，3D HIFY-TENG的翼纱在拉伸状态和恢复状态下与躯干纱接触和分离，产生摩擦电信号。此外，3D HIFY-TENG 也能在与人体皮肤或其他材料接触时会产生能量信号，从而实现多种形式的能量收集模式。文章建立了一个数值模型来验证和预测 3D HIFY-TENG 中翼纱的运动轨迹，与实验结果具有良好的一致性。此外，3D HIFY-TENG被进一步编织成具有平面结构的自供电织物传感器，并集成到智能瑜伽带中，开发出了能用于运动频率统计分析、实时运动检测、自供电姿势校正报警等多功能运动管理的智能健身系统。该研究成果发表在Advanced Energy Materials期刊。论文第一作者为吴荣辉博士和浙江理工大学刘赛博士，中科院北京纳米能源所王中林教授和马丽芸博士为共同通讯作者。
图 1. 用于自供电智能健身系统的 3D 编织分层互锁花式纱线。(a) 3D HIFY-TENG 的制备和编织成形过程运动轨迹(b) 3D HIFY-TENG 花式纱实物图 (c) 三种不同组分翼纱的3D HIFY-TENG 的显微镜图像，分别是聚酰亚胺 (PI)、聚酰胺 (PA) 和聚酯 (PET) (d) 3D HIFY-TENG 的 扫描电子显微镜图像 (e)皮芯结构翼纱的 扫描电子显微镜图像。 (f) 具有平纹结构的 3D HIFY 织物的图像。(g)含自供电瑜伽带和实时监控显示的智能健身系统示意图。
图 2. 3D HIFY-TENG 的几何和机械行为的实验和理论分析。(a) 3D HIFY-TENG 的横截面图和侧视图 (b) 3D HIFY-TENG 被拉伸至 0%、40% 和 120% 伸长率的实物图，在轴向拉伸作用下表现出优异的变形能力 (c)具有不同翼纱的 3D HIFY-TENG 从 0% 拉伸到 180% 时径向应变的变化。(d) 单根螺旋翼纱圆柱展开图 (e) 翼纱和躯干纱线 (i) 拉伸前和 (ii) 拉伸后的几何展开图(f) 3D HIFY-TENG翼纱在0%、60%和120%不同拉伸应变下坐标轨迹的实验数据和理论曲线(g) 翼纱在 0%-180% 不同应变范围内的预测轨迹 (h) 3D HIFY-TENG的典型机械拉伸行为，可分为平缓增加和快速增加两个阶段 (i) 3D HIFY-TENGs 翼纱的典型机械拉伸行为(j)通过 ABAQUS 软件进行有限元分析模拟3D HIFY-TENG 的应力分布 (k) 翼纱的受力分析图
图 3 3D HIFY-TENG 在拉伸和拍打模式下的能量输出 (a) 拉伸设备和 3D HIFY-TENG 变形示意图 (b) 3D HIFY-TENG 在摩擦发电的工作机制 (c) 3D HIFY-TENG 在人体生物力学能量收集方面表现出很大的可拉伸性和可变形性 (d) 3D HIFY-TENG 在拉伸至 160% 应变时的短路电流 (Isc)（e）当具有不同缠绕纱线成分（PET、PA、PI）的 3D HIFY-TENG 拉伸至 140% 时的短路电流Isc 和开路电压Voc。(f)具有不同缠绕纱线成分（PET、PA、PI）的 Isc (g) 不同长度 (1cm-5cm) 的 3D PI HIFY-TENG 的能量输出(h) 3D HIFY-TENG 在机械频率范围 1-5 Hz 下的能量输出(i) 拍打工作模式下的能量输出(j) 3D HIFY-TENG 的耐洗性测试。插图是样品在使用洗涤剂进行洗涤测试期间的图像，以及洗涤 25 次后的连续能量输出。
图 4.具有独特的孔隙效果和能量收集效应的3D HIFY-TENG 花式纱织物。(a) 三种3D HIFY-TENG面料的织造工艺及成品 (b) 用于 3D HIFY-TENG 织物的织机 (c) 3D HIFY-TENG 织物的平纹组织图设计 (d) 3D HIFY-TENG 织物的柔韧性、弯曲性和适形性 (e) 3D HIFY-TENG 织物的示意图(f) 3D HIFY-TENG 的经纬密度 (g) 当织物被拉伸成不同的应变时的电输出 (h) 3D HIFY-TENG 织物的孔隙效应示意图 (i)未经拉伸的3D PI HIFY-TENG光学显微镜照片 (j) 3D PI HIFY-TENG拉伸至200%时表现出明显的孔隙效应 (k) 从第 1 行和第 2 行测量的灰度值。3D HIFY-TENG (l) 及其织物 (m) 用于监测膝盖弯曲。本文开发了一种具有双翼结构的 3D 编织可拉伸分级互锁花式纱线摩擦纳米发电机，用于多功能能量收集模式和自供电传感。 3D HIFY-TENG 的独特结构使其具有出色的拉伸性和变形性，使翼纱与躯干纱线接触，产生自驱动摩擦电输出。建立数值模型对3D HIFY-TENG的变形进行分析和预测，结果与实验数据一致。此外，3D HIFY-TENG 显示出强大的机械性能、良好的拉伸性 (>350%)、可编织性、可剪裁性、适形性和可洗性。3D HIFY-TENG进一步分为三种具有平面结构的自供电织物传感器，与使用相同编织结构的普通核壳结构纱线TENG制造的织物相比，具有更高的拉伸性。该织物不仅在自供电传感方面表现出良好的性能，而且在拉伸过程中仅表现出独特的可调节孔隙效应，显示出在智能过滤器中的应用潜力。针对应用，他们开发了智能健身系统，将花式纱线集成到智能弹力带中，用于运动频率统计分析、实时运动检测、自供电姿势校正报警等多功能运动管理。本次探索的系统性工作为“多功能时尚智能服装”奠定了基础。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201288
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