我國(guó)有望研制出兼具自傳感和涼感的石墨烯智能運(yùn)動(dòng)衣

智能服裝在人體健康監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)等可穿戴領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前的可穿戴傳感器往往因難以與普通服裝無(wú)縫結(jié)合而限制了傳感能力和穿戴體驗(yàn)。

??為了嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，并賦予服裝穿戴舒適性，青島大學(xué)曲麗君教授團(tuán)隊(duì)和深圳大學(xué)張學(xué)記教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)微流控紡絲技術(shù)制備了具有多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)的彈性纖維(MPPU)，該纖維具有非常好的導(dǎo)熱性能，可給人帶來(lái)接觸涼感的舒適感受。經(jīng)石墨烯改性后，研究發(fā)現(xiàn)該纖維具有優(yōu)異的拉伸和溫度傳感性能，可作為傳感單元，通過(guò)普通的紡織織造方式，無(wú)縫的制作出將應(yīng)變、溫度傳感和涼感集成于一體的智能運(yùn)動(dòng)衣(圖1)。

圖1. 智能運(yùn)動(dòng)衣是采用微流控紡絲技術(shù)和石墨烯后處理制得的彈性纖維，通過(guò)常規(guī)織造方式構(gòu)建而成，兼具自感應(yīng)和自冷卻的性能。這種智能服裝在人體健康監(jiān)控和自適應(yīng)方面存在著廣泛的應(yīng)用潛力。

圖2. MPPU纖維的成型機(jī)理和自冷效應(yīng)。a)徑向多孔結(jié)構(gòu)形成過(guò)程示意圖。b) MPPU纖維形成過(guò)程的時(shí)間尺度和不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的橫截面SEM照片。c)MPPU10纖維納米和微孔的尺寸分布。d)普通面料與MPPU面料的對(duì)比示意圖。e)棉、萊卡、MPPU10面料的紅外光線透過(guò)率。f) MPPU彈性纖維的力學(xué)性能。g, h) 50g載荷下MPPU10纖維的拉伸行為。

??微流控紡絲技術(shù)是近年來(lái)新興的一種紡絲技術(shù)，利用微流體的層流特性和擴(kuò)散特性，可通過(guò)改變芯片中微通道設(shè)計(jì)、流體粘度、微通道中流體流速等參數(shù)來(lái)調(diào)控纖維的結(jié)構(gòu)和尺寸，在結(jié)構(gòu)可控功能可設(shè)計(jì)纖維材料的制備上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。本文采用微流控紡絲技術(shù)，通過(guò)控制紡絲液濃度和微流體在芯片通道內(nèi)的流速比，制備出具有多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯彈性纖維，并對(duì)其在微通道內(nèi)的形成過(guò)程進(jìn)行了探索研究(圖2)。與普通織物相比，獨(dú)特的多尺度無(wú)序多孔結(jié)構(gòu)使得MPPU纖維對(duì)人體紅外輻射具有較高的透過(guò)率，使得皮膚與衣物之間的微環(huán)境溫度比同等厚度的棉織物下降至少2.5℃。且通過(guò)石墨烯改性后的MPPU纖維還具有高應(yīng)變系數(shù)(GF)和熱阻系數(shù)(TCR)，因而具有實(shí)時(shí)的應(yīng)變和溫度傳感能力，可以用于監(jiān)測(cè)體溫、跟蹤人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及收集心率等生理信號(hào)(圖3)。

圖3. 智能運(yùn)動(dòng)衣示意圖及其在人體運(yùn)動(dòng)和生命信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。a) 智能運(yùn)動(dòng)衣的前、后、側(cè)視圖，設(shè)計(jì)了9個(gè)感知區(qū)。G@MPPU傳感感知區(qū)的響應(yīng)曲線:b)吞咽、c)說(shuō)話、d)拉伸運(yùn)動(dòng)、e)行走、f)擴(kuò)胸、g)呼吸、h)側(cè)扭、i)脈搏、j)手指彎曲。k, l)基于藍(lán)牙的無(wú)線監(jiān)測(cè)示意圖和照片。m)通過(guò)手機(jī)APP接收到的各種手指彎曲動(dòng)作的數(shù)據(jù)。