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? ? ?有人說(shuō)，20世紀(jì)是電的世紀(jì)，21世紀(jì)是光的世紀(jì)；知光解電，再小的個(gè)體都可以被賦能。追光逐電，光贏未來(lái)...歡迎來(lái)到今日光電！
----追光逐電 光贏未來(lái)----
全球變暖背景下，極端高溫事件頻發(fā)。人體長(zhǎng)期暴露于戶外高溫環(huán)境下容易引發(fā)各類健康疾病，因此戶外高溫環(huán)境下的人體健康監(jiān)測(cè)意義重大。然而，戶外高溫環(huán)境對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能提出了極為苛刻的要求。長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)烈陽(yáng)光照射下，電子器件將產(chǎn)生過(guò)量的熱積累，極易引發(fā)敏感單元材料失效、器件溫漂加劇、單元信號(hào)失真等故障，致使檢測(cè)困難。過(guò)高溫度也會(huì)導(dǎo)致體表不舒適，嚴(yán)重可至皮膚灼傷。因此，亟需開(kāi)發(fā)具有高效散熱和降溫性能的可穿戴電子設(shè)備。近期，電子科技大學(xué)王軍教授和華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)合作在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Electronic Textile with Passive Thermal Management for outdoor Health Monitoring”的研究成果。該工作提出了一種無(wú)源降溫電子織物（Cooling E-textile, CET），兼具柔性、輕薄、熱舒適、透氣性及精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)無(wú)源熱管理和力學(xué)感知功能的集成設(shè)計(jì)制造，同步獲得了高靈敏壓力感知(6.67 × 103?kPa-1)、太陽(yáng)光高反射(~90%)、中紅外輻射高發(fā)射(~92%)和卓越的降溫特性（峰值降溫能力達(dá)21 ℃），并實(shí)現(xiàn)高溫暴曬環(huán)境下多生理指標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)連續(xù)精準(zhǔn)采集。該研究為新一代戶外環(huán)境健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的無(wú)源熱管理提供了一條有效途徑。
利用碳化織物的高導(dǎo)電及高發(fā)射特性，該織物實(shí)現(xiàn)無(wú)源降溫/傳感雙功能，構(gòu)筑多級(jí)多層結(jié)構(gòu)同步提升力學(xué)感知和紅外發(fā)射能力。器件可通過(guò)太陽(yáng)光高反射、熱輻射高發(fā)射獲得可持續(xù)無(wú)源降溫效果，兼顧實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、多種生理健康數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)準(zhǔn)確采集和分析（圖1）。
圖1?CET功能結(jié)構(gòu)示意圖
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該研究建立電子織物仿真理論模型，分析多級(jí)多維接觸界面?zhèn)鞲袡C(jī)理，優(yōu)化編織結(jié)構(gòu)和密度等參數(shù)，提出高靈敏電子織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)構(gòu)筑多級(jí)多維接觸界面電子織物結(jié)構(gòu)，從而獲得高靈敏、寬量程、高耐久性傳感功能（圖2）。
圖2?CET壓力傳感功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力敏性能
CET的無(wú)源降溫性能及光學(xué)特性如圖3所示，可見(jiàn)光的高反射率來(lái)源于NanoPE的米式散射，而紅外高發(fā)射率歸因于碳化織物的高紅外發(fā)射率。為證明CET的戶外降溫能力，將三輛模型小車置于陽(yáng)光下，分別裸露、覆蓋棉布和CET，曝光80?min后，覆蓋CET的小車模型溫度明顯低于其他兩輛，溫差分別高達(dá)13和21 ℃（圖3b-c）。在陽(yáng)光直射下模擬人工皮膚溫度降低進(jìn)一步證明CET的優(yōu)異降溫能力（圖3d）。在陽(yáng)光下暴曬5 min后，手臂上CET、棉布、碳化織物和銀納米線織物的溫度分別為33.3，33.8，36.7和39.9 ℃，表明CET在高溫環(huán)境中可提供有效的無(wú)源降溫能力。
圖3?CET無(wú)源降溫性能及光學(xué)特性
圖4的CET室外健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人體皮膚集成后發(fā)現(xiàn)，集成在口罩上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸頻次，同時(shí)在炎熱的環(huán)境中保持涼爽透氣。對(duì)比了室內(nèi)、陰涼處和陽(yáng)光直射環(huán)境下CET、碳化織物、銀納米線織物實(shí)時(shí)測(cè)量人體脈搏信號(hào)的能力，在室內(nèi)環(huán)境中兩種對(duì)比電子織物的溫度明顯高于CET，這是由于器件本身的焦耳熱導(dǎo)致的。隨著工作環(huán)境遷移至戶外，在陽(yáng)光直射下，兩種織物溫度大幅升高至38.4和45.2 ℃，而CET溫度保持在34.6 ℃。此外，傳統(tǒng)電子織物（不含降溫功能）在太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫漂效應(yīng)，改變壓力傳感器電學(xué)參數(shù)，脈搏測(cè)試信號(hào)被淹沒(méi)在環(huán)境溫度干擾信號(hào)中；相比傳統(tǒng)可穿戴電子器件，CET可實(shí)現(xiàn)高溫暴曬環(huán)境下多生理指標(biāo)參數(shù)的實(shí)時(shí)連續(xù)精準(zhǔn)采集，并展現(xiàn)出良好的柔性、輕薄及透氣性。
圖4?CET室外健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
綜上所述，該研究提出了一種兼具無(wú)源降溫和壓力傳感的電子織物設(shè)計(jì)方法。CET器件具有寬傳感范圍（12.5 Pa~100 kPa），高靈敏度（6.67 × 103?kPa-1），快速響應(yīng)時(shí)間（72 ms）和優(yōu)異的降溫特性（峰值降溫能力高達(dá)21 ℃）。將CET集成到人體各關(guān)節(jié)部位，可以在室外陽(yáng)光照射下穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)和微弱的生理信號(hào)，表明其在各種可穿戴應(yīng)用中的巨大潛力。更重要的是，優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高CET性能并擴(kuò)大其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用能力。該發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)面向多功能醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)的先進(jìn)電子織物設(shè)備熱管理提供了新途徑。王軍教授，博士研究生導(dǎo)師，電子科技大學(xué)，光電探測(cè)與傳感集成技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從事室溫紅外與太赫茲探測(cè)技術(shù)相關(guān)研究。獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助，完成國(guó)家重大專項(xiàng)及子課題、863重點(diǎn)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金等10余項(xiàng)，獲教育部、工信部及國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)勵(lì)。發(fā)表SCI論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)。
陶光明教授，博士研究生導(dǎo)師，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心和材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三級(jí)教、血管衰老教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從事光電功能纖維材料與器件的交叉學(xué)科研究工作，先后在Science,?Science Robotics,National Science Review,?The Innovation等發(fā)表論文110余篇。擔(dān)任Advanced Fiber Materials創(chuàng)刊副主編、National Science Open(工程)副主編、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)纖維材料改性與復(fù)合技術(shù)分會(huì)理事會(huì)副主任、中國(guó)激光雜志社第三屆青年編輯委員會(huì)主任委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)超材料分會(huì)理事會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)中建科創(chuàng)集團(tuán)有限公司專家咨詢委員會(huì)委員等。
來(lái)源：Advanced Fiber Materials
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