用于人体信号监测的多功能热电织物

  柔性电子器件因其灵活性、舒适性、多功能性和高灵敏度而备受关注，集成了柔性电子元件的可穿戴传感系统被广泛用于实时监测人体信号和危险警报。然而，这些系统通常需要外部电源和频繁充电。开发从人体微环境中获取能量而非依赖外部电源的自供电传感系统是一项重大挑战。

 

近日，江南大学王强教授课题组制备了一种柔韧、反应灵敏、高拉伸性和高透气性的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）/多壁碳纳米管（PEDOT/MWCNT）热电织物，可用于消防服绝缘层破损（温度）和消防员移动异常（应变）的双参数协同感应。

研究人员基于PEDOT和MWCNT出色的塞贝克效应，将PEDOT/MWCNT@PLF组装成自供电温度传感器，并在室温下进行了温度灵敏度测试。结果表明，即使经过1000次弯曲，该热电织物的电导率和塞贝克系数也仅有轻微下降，具有良好的可重复性和稳定性。基于灵敏、稳定的温度识别和连续自供电性能，当玻璃棒和手指接触该温度传感器时，分别出现了微弱的负信号和较强的正信号，温度传感器的响应时间仅为0.60 s。

基于热电效应的PEDOT/MWCNT@PLF温度传感测试

PEDOT/MWCNT@PLF传感器不仅对温度敏感，而且具有良好的机械性能和拉伸性，每个织物样品都能完成超过320%的应变，完全适合用于人体关节健康监测的智能可穿戴设备。而且，该应变传感器对于不同的手指弯曲角度（30°、45°、60°和90°）也会响应正相关的电信号，因此利用集成在手腕上的应变传感器可以分辨手腕弯曲的幅度。

PEDOT/MWCNT@PLF应变传感器的应变传感性能和人体运动监测

PEDOT/MWCNT@PLF具有灵敏的温度识别能力、良好的机械性能和拉伸性，因此被开发成一种自供电双参数传感器，具有健康异常和温度阈值警报功能。双模式传感器被集成到手腕、手指、膝盖和脚踝等身体关节处，以实时检测使用者的运动；集成到舒适层和隔热层之间，可以监测消防服的破损情况。一旦消防员在事故现场被困或受伤，或消防服隔热层的温度达到临界值，双参数传感将实时提醒消防员健康异常，并提醒基地工作人员及时实施救援，保护消防员的人身安全。

根据该传感器相对电阻可重复和有规律的变化，可以区分手腕、手指和脚踝的信号。如果信号相对较小，则说明消防员处于危险之中，需要立即得到支持和帮助。另一方面，当智能手套靠近火焰时，PEDOT/MWCNT@PLF的两端形成了体温与火焰温度之间的温差，因此该传感器可以快速响应热电压信号，离开高温环境后，热电压信号消失。当输出的热电压超过阈值时，提醒消防服已损坏，必须及时更换或降温，确保人身安全。

自供电传感器集成到消防服中的实际应用

相关研究成果以“Highly stretchable, sensitive, and multifunctional thermoelectric fabric for synergistic sensing systems of human signal monitoring”为题发表在Advanced Fiber Materials上。

 

审核编辑：刘清