从晾衣绳到电网MXene纳米材料实现纺织品无线充电

要让完全集成的纺织品电子产品从实验室走向衣柜，下一步就是弄清楚如何为服装小玩意供电，而不必随身携带不合时宜的固体电池。德雷塞尔大学、宾夕法尼亚大学和加州埃森哲实验室的研究人员采取了一种新方法应对这一挑战，他们构建了一个可以无线充电的完整纺织品能源网。在他们最近的研究中，该团队报告称，它可以为纺织品设备供电，包括加热元件和实时传输数据的环境传感器。

该论文发表在《今日材料》杂志上，描述了构建网格的过程和可行性，即在无纺布棉纺织品上使用由MXene组成的墨水进行打印。MXene是德雷塞尔大学研制的一种纳米材料，同时具有高导电性和足够的耐用性，可以承受衣物经过折叠、拉伸和洗涤。

概念验证代表了可穿戴技术的一个重要发展，目前可穿戴技术需要复杂的布线，并且受到使用无法完全集成到服装中的刚性笨重电池的限制。

“这些笨重的能源供应通常需要刚性部件，但由于两个主要原因，这些部件并不理想，”这项研究的负责人、德雷塞尔大学工程学院杰出大学和巴赫教授YuryGogotsi博士说。

“首先，它们会让佩戴者感到不舒服和侵扰，而且随着时间的推移，硬电子设备和软纺织品之间的界面往往会出现故障——而对于电子纺织品来说，一个特别难以解决的问题是可洗性问题。”

相比之下，该团队提出的纺织网格印刷在一块轻质、柔韧的棉质基底上，大小与一块小补丁相当。它包括一个印刷谐振线圈(称为MX线圈)，可以将电磁波转化为能量，从而实现无线充电;以及一系列三个纺织超级电容器(之前由德雷克塞尔和埃森哲实验室开发)，可以储存能量并将其用于为电子设备供电。

该电网能够以3.6伏特的电压进行无线充电，不仅足以为可穿戴传感器供电，还足以为计算机中的数字电路或手表和计算器等小型设备供电。只需充电15分钟，就能产生足够的能量为小型设备供电超过90分钟。而且，在经过一系列模拟衣物磨损的弯曲和洗涤循环后，其性能几乎没有下降。

除了使用小型电子设备测试电网之外，宾夕法尼亚大学的合作者在学副教授FlaviaVitale博士的带领下证明，它还可以为基于MXene的无线生物传感器电极(称为MXtrodes)供电，用于监测肌肉运动。

“除了需要储能的服装应用之外，我们还展示了可能不需要储能的用例，”亚历克斯·英曼博士说道，他在埃森哲实验室实习期间协助进行这项研究，当时他是AJDrexel纳米材料研究所的博士生和Gogotsi的研究助理。

“对于相对久坐的用户(婴儿床中的婴儿或医院病床上的病人)，可以使用直接电源应用，例如连续无线供电监测运动和生命体征。”

在这方面，他们还使用该系统为现成的温度和湿度传感器阵列以及微控制器供电，以实时广播他们收集的数据。无线充电30分钟可为传感器的实时广播(相对耗能的功能)供电13分钟。

最后，该团队使用MX线圈为印刷在纺织品上的加热元件(称为焦耳加热器)供电，作为概念验证，该加热器产生了约4摄氏度的温度增益。

“许多不同的技术都可以通过无线充电来供电。选择应用时要考虑的主要问题是，它需要适合可穿戴应用，”Gogotsi说。“我们倾向于认为生物传感器是一种非常诱人的应用，因为这是医疗保健的未来。它们可以直接集成到纺织品中，提高数据的质量和保真度，并提高用户的舒适度。

“但我们的研究表明，基于纺织品的电网可以为任意数量的外围设备供电：用于时尚或工作安全的基于光纤的LED、用于职业培训和娱乐等AR/VR应用的可穿戴触觉设备，以及在独立控制器可能不受欢迎时控制外部电子设备。”

开发这项技术的下一步是展示如何在不降低其性能或限制其集成到纺织品中的能力的情况下扩大该系统的规模。Gogotsi和Inman预计MXene材料是将各种技术转化为纺织品形式的关键。MXene墨水不仅可以应用于最常见的纺织品基材，而且许多基于MXene的设备也已作为概念验证进行了演示。

“我们通过无线充电产生的电力足以为许多不同的应用供电，因此下一步就是集成，”Inman说道。“MXene在这方面的一大优势在于，它可以用于许多功能，例如导电迹线、天线和传感器，而且您不必担心材料不匹配可能导致电气或机械故障。”

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