人工智能技术正在迅速发展，为健康监测、人机交互、康复娱乐等提供复杂的信号分析。然而，这一进展依赖于广泛的数据收集，而传统的传感器通常体积庞大、笨重且成本高昂，往往需要外部电源或频繁充电，这限制了可穿戴器件的使用性和便携性。因此，开发一种体积较小、易于监测、可大范围推广使用的多功能传感器显得尤为重要。近年来，热电、摩擦电、压电等能量收集技术的出现在可穿戴器件领域取得了快速的发展。其中，利用环境中温度的变化直接将热能转化为电能的可穿戴热电器件，成为具有潜在价值的能源供应系统。在现有的可穿戴热电器件中，基于薄膜基材的可穿戴热电器件通常表现出值得称赞的热电传感性能，但往往存在较差的透气性、灵活性和集成较难等相关问题，影响穿戴者的舒适度。
针对以上问题，江南大学王潮霞教授和加拿大滑铁卢大学Yuning Li 教授提出了一种具有多功能传感能力和自供电潜力的MXene热电织物。这种以织物为基材的可穿戴热电器件，利用织物基材自身的柔韧性和透气性，成功解决了人体穿着舒适性问题。而基于MXene材料设计的热电织物在温度传感和应变传感方面都表现出色，是连续数据收集和监控的理想选择。这种将MXene材料和与纺织技术相结合的能力，推动可穿戴智能织物的发展，使智能织物离实用更进一步，展示了在能量收集、运动跟踪和健康监测方面具有广阔的应用前景。
该研究工作受到了滑铁卢大学的高度关注和认可，滑铁卢大学官方媒体对Yuning Li 教授进行了相关研究内容采访，分别在滑铁卢大学新闻官方网站（Power up your health with self-sustaining electronics | Waterloo News | University of Waterloo (uwaterloo.ca) ）和化学工程学院网站（Breakthrough in smart fabric for sensing and health monitoring | Chemical Engineering | University of Waterloo (uwaterloo.ca) ）进行报道。
图1展示了MXene热电织物的制备过程、设计原理和潜在应用，可以观察到MXene热电织物不仅能够收集电能。当MXene热电织物与口罩进行贴合时，其能够利用身体和环境之间的温差将热能转化为电能，并准确地识别身体的呼吸状态，同时，MXene热电织物也可以通过自身的形变来监测身体关节的运动状态。
图2 MXene热电织物输出电压测试装置和热电性能
当MXene热电织物的两端分别与冷源(未加热)和热源(加热)接触时，两端的温差诱导电子从热端流向冷端，迫使电子在MXene热电织物冷端不断积累，从而导致MXene热电织物两端的电压差不断增加。热电性能表征结果显示MXene热电织物的最高塞贝克系数达到-9.97 μVK-1，且具有良好的热电循环稳定性（图2）。
MXene热电织物不仅呈现良好的热电性能，作为应变传感织物，其也具有优异的应变传感性能。如图3所示，观察到MXene热电织物作为应变传感器，最高灵敏度GF达到50.5，低检测极限达到0.2%，以及30%的宽监测范围，对于外界刺激具有快速的响应和恢复时间（60/80ms），超过了文献中大多数报道的值，且在3200次拉伸释放循环过程中呈现良好的应变传感稳定性。
图4 MXene热电织物的热电传感阵列原理图、触觉响应和呼吸监测应用
在热电应用方面，MXene热电织物能够利用外界温差实现能量收集，且具有优异的温度传感能力。通过将MXene热电织物设计成热电传感阵列，不仅可以提高电能的收集，还可以作为触觉识别系统，感知外界刺激的变化。此外，我们将热电传感阵列连接到口罩上，一端靠近呼吸区，另一端远离呼吸区(图4g)，使热电传感阵列两端温度的存在差异，从而使输出电压随呼吸模式的变化而改变，且准确识别身体的呼吸状态，证明了该热电阵列具有监测呼吸状态的能力(图4h)。
MXene热电织物作为应变传感器，具有良好的灵敏度和监测范围。通过自身的形变，MXene热电织物可以准确识别喉关节、肘关节、腕关节运动，以及手臂肌肉颤抖，展示良好的运动监测能力，在人体运动监测中具有潜在的应用前景。
该研究工作以“MXene-based thermoelectric fabric integrated with temperature and strain sensing for health monitoring”为题发表在Journal of Materials Science & Technology期刊，通讯作者为江南大学纺织科学与工程学院王潮霞教授和加拿大滑铁卢大学化学工程系Yuning Li 教授，第一作者为江南大学20级博士研究生彭军。该工作得到国家自然科学基金和中国留学基金委等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.011
滑铁卢大学相关报道
https://uwaterloo.ca/news/media/power-your-health-self-sustaining-electronics
https://uwaterloo.ca/chemical-engineering/news/breakthrough-smart-fabric-sensing-and-health-monitoring
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