【今日快报】电子科技大学王军、华中科技大学陶光明AdvFiberMater—无源降温传感双功能电子织物：随身空调，精准监测

今日光电 2024-07-05 18:03

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导读

全球变暖背景下，极端高温事件频发。人体长期暴露于户外高温环境下容易引发各类健康疾病，因此户外高温环境下的人体健康监测意义重大。然而，户外高温环境对健康监测系统的性能提出了极为苛刻的要求。长时间的强烈阳光照射下，电子器件将产生过量的热积累，极易引发敏感单元材料失效、器件温漂加剧、单元信号失真等故障，致使检测困难。过高温度也会导致体表不舒适，严重可至皮肤灼伤。因此，亟需开发具有高效散热和降温性能的可穿戴电子设备。

近期，电子科技大学王军教授和华中科技大学陶光明教授团队合作在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Electronic Textile with Passive Thermal Management for outdoor Health Monitoring”的研究成果。该工作提出了一种无源降温电子织物（Cooling E-textile, CET），兼具柔性、轻薄、热舒适、透气性及精准监测功能。通过无源热管理和力学感知功能的集成设计制造，同步获得了高灵敏压力感知(6.67 × 10³kPa^-1)、太阳光高反射(~90%)、中红外辐射高发射(~92%)和卓越的降温特性（峰值降温能力达21 ℃），并实现高温暴晒环境下多生理指标参数的实时连续精准采集。该研究为新一代户外环境健康监测设备的无源热管理提供了一条有效途径。

正文

利用碳化织物的高导电及高发射特性，该织物实现无源降温/传感双功能，构筑多级多层结构同步提升力学感知和红外发射能力。器件可通过太阳光高反射、热辐射高发射获得可持续无源降温效果，兼顾实现人体运动状态、多种生理健康数据实时连续准确采集和分析（图1）。

图1 CET功能结构示意图

该研究建立电子织物仿真理论模型，分析多级多维接触界面传感机理，优化编织结构和密度等参数，提出高灵敏电子织物结构设计方法。设计构筑多级多维接触界面电子织物结构，从而获得高灵敏、宽量程、高耐久性传感功能（图2）。

图2 CET压力传感功能结构设计与力敏性能

CET的无源降温性能及光学特性如图3所示，可见光的高反射率来源于NanoPE的米式散射，而红外高发射率归因于碳化织物的高红外发射率。为证明CET的户外降温能力，将三辆模型小车置于阳光下，分别裸露、覆盖棉布和CET，曝光80 min后，覆盖CET的小车模型温度明显低于其他两辆，温差分别高达13和21 ℃（图3b-c）。在阳光直射下模拟人工皮肤温度降低进一步证明CET的优异降温能力（图3d）。在阳光下暴晒5 min后，手臂上CET、棉布、碳化织物和银纳米线织物的温度分别为33.3，33.8，36.7和39.9 ℃，表明CET在高温环境中可提供有效的无源降温能力。

图3 CET无源降温性能及光学特性

图4的CET室外健康监测系统与人体皮肤集成后发现，集成在口罩上可以实时监测呼吸频次，同时在炎热的环境中保持凉爽透气。对比了室内、阴凉处和阳光直射环境下CET、碳化织物、银纳米线织物实时测量人体脉搏信号的能力，在室内环境中两种对比电子织物的温度明显高于CET，这是由于器件本身的焦耳热导致的。随着工作环境迁移至户外，在阳光直射下，两种织物温度大幅升高至38.4和45.2 ℃，而CET温度保持在34.6 ℃。此外，传统电子织物（不含降温功能）在太阳光照射下产生强烈的温漂效应，改变压力传感器电学参数，脉搏测试信号被淹没在环境温度干扰信号中；相比传统可穿戴电子器件，CET可实现高温暴晒环境下多生理指标参数的实时连续精准采集，并展现出良好的柔性、轻薄及透气性。

图4 CET室外健康监测系统

展望

综上所述，该研究提出了一种兼具无源降温和压力传感的电子织物设计方法。CET器件具有宽传感范围（12.5 Pa~100 kPa），高灵敏度（6.67 × 10³ kPa^-1），快速响应时间（72 ms）和优异的降温特性（峰值降温能力高达21 ℃）。将CET集成到人体各关节部位，可以在室外阳光照射下稳定、实时、准确地监测肢体运动和微弱的生理信号，表明其在各种可穿戴应用中的巨大潜力。更重要的是，优化材料和结构可以进一步提高CET性能并扩大其大规模生产和应用能力。该发现为实现面向多功能医疗保健监测的先进电子织物设备热管理提供了新途径。

课题组简介

王军教授，博士研究生导师，电子科技大学，光电探测与传感集成技术教育部重点实验室副主任。从事室温红外与太赫兹探测技术相关研究。获得国家自然科学基金优青项目和教育部新世纪优秀人才计划资助，完成国家重大专项及子课题、863重点项目、自然科学基金等10余项，获教育部、工信部及国家技术发明奖励。发表SCI论文60余篇，授权发明专利50余项。

陶光明教授，博士研究生导师，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院材料成形与模具技术全国重点实验室三级教、血管衰老教育部重点实验室副主任。从事光电功能纤维材料与器件的交叉学科研究工作，先后在Science, Science Robotics,National Science Review, The Innovation等发表论文110余篇。担任Advanced Fiber Materials创刊副主编、National Science Open(工程)副主编、中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国激光杂志社第三届青年编辑委员会主任委员、中国材料研究学会超材料分会理事会常务理事、中国中建科创集团有限公司专家咨询委员会委员等。