西安工程大學(xué)在智能可穿戴研究領(lǐng)域取得新突破

近日，國際權(quán)威期刊《自然-通訊》（《Nature Communications》）在線發(fā)表西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院樊威教授團(tuán)隊(duì)的研究論文“Sweat permeable and ultrahigh strength 3D PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor”。據(jù)了解，該校為第一署名單位，教授樊威為論文的第一以及通訊作者，碩士研究生雷睿心為第二作者，沙赫魯?shù)吕砉ご髮W(xué)教授Mashallah Rezakazemi和南京林業(yè)大學(xué)副教授葛省波為共同通訊作者。

該校研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，商用可穿戴傳感器通常需要經(jīng)過電子封裝，具有良好的抗干擾穩(wěn)定性。然而，封裝使其不透氣，作為人體傳感器使用時(shí)，會(huì)影響人體和外界的氣體交換，損害了人體穿戴的舒適性。此外，人體出汗后無法排出，會(huì)引起皮膚炎癥和其他皮膚疾病。上述弊端，導(dǎo)致現(xiàn)有商用傳感器無法長期接觸人體佩戴。

針對以上問題，西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)及其合作者采用航天飛行器高性能纖維結(jié)構(gòu)件中常用的三向正交織物所用的3D織造方式，將具有不同吸濕性能的絕緣紗線對PVDF壓電紗線和導(dǎo)電紗線進(jìn)行封裝，開發(fā)了一種免電子封裝且具有反重力單向液體輸送功能的3D結(jié)構(gòu)全纖維自供電應(yīng)變傳感器。

該工作首先通過共軛靜電紡絲和熱牽伸工藝，制備出強(qiáng)度高達(dá)313.3 MPa的PVDF壓電納米纖維紗線（滿足3D織造的要求），隨后采用3D紡織技術(shù)，將PVDF壓電紗線、導(dǎo)電紗線和不同吸濕性能的絕緣紗線按照下圖所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布，織造成3D壓電織物（3DPF）傳感器。在已報(bào)道的柔性壓電傳感器中，3DPF的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到46.0 MPa。

此外，構(gòu)建的3D織物從底層到表層的紗線具有梯度吸濕效應(yīng)，Z向紗線具有超強(qiáng)的芯吸效應(yīng)，使得3DPF具有反重力單向液體輸送的功能。人體運(yùn)動(dòng)出汗后，汗液可以在4秒內(nèi)從靠近皮膚側(cè)的內(nèi)層反重力運(yùn)輸?shù)酵鈱樱瑸橛脩籼峁┝耸孢m干燥的佩戴環(huán)境。更重要的是，人體正常出汗后，不但不會(huì)降低3DPF的壓電輸出性能，反而會(huì)增強(qiáng)其壓電性能。

3DPF的耐用性和舒適性與商用棉T恤有著相似的級別，可滿足人體日常穿著的要求。此項(xiàng)工作采用常規(guī)不導(dǎo)電商用紗線對導(dǎo)電和壓電紗線進(jìn)行封裝的策略，為開發(fā)其他類型的可呼吸的柔性可穿戴電子設(shè)備提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，其所提出的智能可穿戴織物在舒適性和傳感性能之間取得了平衡，使智能可穿戴產(chǎn)品被人體長期穿著成為可能。