柔性电磁『发电衣』助力可穿戴电子持续性发展

近些年，物联网技术和人工智能技术日益成熟，智能可穿戴设备正在快速地发展。并且，它们被广泛应用于医疗健康、智能家居、通信等领域，人们对可穿戴能源的需求逐渐增大。由于传统电池存在缺乏柔韧性、不可拉伸、质量大、体积大等问题，柔性可穿戴式能源采集方式受到了极大地关注。

服装作为人体的第二层皮肤，具有极好的可穿戴舒适性，是能源器件极好的物理载体以及理想的可穿戴设备集成平台。如果利用服装收集人体日常行为中产生的生物机械能，便可解决可穿戴设备长期运行的电池容量问题，促进可穿戴电子持续性发展。

近日，华中科技大学苏彬教授、陶光明教授，中国香港理工大学陶肖明教授，武汉纺织大学徐卫林教授团队多学科交叉合作，研发了一款高性能柔性发电衣。

它将传统的硬磁铁做成了柔性纱线，能够实现磁体的柔性织物化。不仅能够有效控制成本，实现了磁性织物制备的初步小试生产，还实现了超高的峰值输出功率密度。本发电衣所用的磁性纱线及其织物与纺织加工技术兼容，可大规模批量生产。

相关论文以《用于从生物机械能到电能的高性能转换的磁电发电衣》为题发表。

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该发电衣通过手臂摆动来实现为可穿戴电子设备“充电”，论文中展示了该技术为一些智能电子产品进行供电，如LED灯、计算器、无线通信和健康监测设备等。此外，鉴于磁性织物具有很强的环境适应性，其可以在极端环境下为我们的求生设备，如呼救机等，进行紧急供电。

陶光明教授解释道：“人们在日常生活中行走或奔跑时，通常会进行摆臂等行为动作，这存在大量的生物机械能资源。由此，我们想到是否可以将这些浪费掉的机械能资源收集起来，为柔性可穿戴电子设备进行供电，这样便可解决可穿戴设备长期运行的电池容量问题。”

具备超强柔韧性，自供电、水下及极端环境下安全工作

柔性可穿戴电子设备是未来人机交互的发展方向，柔性可穿戴式能源采集受到了极大地关注。该团队的研究初衷是将人体产生的机械能加以收集利用，为可穿戴电子设备进行供电。并且，他们希望磁性织物能够柔性化，能够和服装一样穿在身上，与柔性可穿戴器件相结合，解决其供电问题，这将极大地拓展柔性可穿戴器件的应用场景，促进可穿戴电子持续性发展。

在以往的研究中，电磁能量收集策略主要面临3个方面的挑战：

该发电衣的峰值输出功率密度可以达到3197mW/m²，主要有两方面原因：一方面，磁电的发电效率很高，磁电被广泛应用于水力发电站、风力发电站、核电站等领域中；另一方面，该团队制备的磁性织物中的磁含量很高（80wt.%），磁含量越高，织物的磁性就会越强，从而获得更高的输出功率密度。

苏彬教授（左）、陶光明教授（右）

不仅如此，这种磁性织物还可以在水下工作，并且不受影响。

第一，该磁性织物采用颗粒流纺纱来制备连续磁性纱线，磁颗粒被紧紧地锁在纱线内部，形成芯套结构的钕铁硼磁纱，保证其在水下工作的可靠性；

第二，该团队通过最常见的工业织布机制备磁性织物，能够达到工业级别的标准；

第三，磁性织物不会受到浸水的影响，而线圈部分我们使用漆包线，能够完全与外界绝缘，所以保障了这种磁性织物在水下能够正常工作。

“正如我们在论文中展示的实验结果，即便是经过水洗，我们的发电衣仍然能够保证其可靠性。”陶光明教授说。

在安全性方面，该团队主要考虑从材料、磁性织物的磁场强度、用电安全三方面综合考虑，并找到恰当的处理方案。

“我们的磁性织物使用钕铁硼和常见的纺织高分子材料作为原材料，这些材料都是无毒无害的，不会对人体造成任何伤害。”苏彬教授说。

他补充说道：“我们将磁性织物固定在手臂内侧，所制备的衣服为外套。并且随着距离的增加，磁性织物的磁场强度会显著下降，这可以保证我们的磁性织物的磁场对人体无害。”

此外，在用电安全性方面，该团队使用漆包线作为线圈部分，以保证不漏电。并且，研究人员对磁性织物与线圈都进行了水洗和高低温等试验，能保证其可靠性。

磁性织物的制备流程

材料科学-电磁学-纺织工程的跨领域多学科协同创新，推进多行业协同发展

柔性电磁发电衣将材料科学、电磁学和纺织工程技术结合，旨在将人类的日常行为动作所产生的机械能转化为电子服装所需要的电能，解决电子服装持续供电的问题，促进可穿戴电子领域的可持续发展，是具有代表性的多学科协同创新的科研进展。

该团队致力于突破自供能纤维及织物领域发展瓶颈的“卡脖子”难题，解决电子服装持续供电问题，从而实现可穿戴电子服装的可持续发展。最终实现材料、电磁学与纤维、纺织、服饰三大国民经济行业协同发展。

苏彬教授表示，在研究过程中，主要有两方面的困难，一方面是相关材料的研究，不同的材料具有不同的属性，为了找到最合适的材料，团队进行了不断地探索；另一方面则是对工艺的研究。“我们需要将磁性材料制备成全柔性的纱线、织物，就需要相应的工艺条件，并且需要确保制备成的纤维和织物具有可靠性，这是相当困难的。”

该团队秉承科研的“匠心精神”，迎难而上。在选材阶段，他们从纺织界常用的高分子材料入手，保证其安全和可靠性，将这些材料根据属性进行分类，根据实际需求进行调整。

“在工艺研究上，我们调研了市面上通行的纺织工艺，在现有的工艺条件基础上进行改进，并且调整优化了材料和对应的磁含量。这能保证我们生产出的磁性织物符合工业标准，为后续的产业化带来便利。”苏彬教授说。

那么这种发电衣成本怎么样，会不会特别贵呢？据了解，磁电衣物的成本来自于材料成本与生产磁电衣物的工艺成本。

磁性织物的展示

发电衣的应用展示

从材料部分的成本看，该团队所使用的的原材料主要有钕铁硼磁粉、纺织高分子材料、漆包铜线等。这些材料的生产制备已经有非常成熟的产业体系，目前制作一件发电衣的费用约为数百元。苏彬教授认为，随着批量的生产制造，还可以将成本进一步大大降低。

从生产磁电衣物的工艺成本看，该团队使用的工艺已经在推动产业化，通过调整参数即可制备我们的磁性纤维和纱线，并且，未来的大规模批量生产可以有效降低成本。

因此，从上述两方面综合来看，磁电衣物的成本在可控的范围内。

该团队表示，在产业化应用之前，还需要进行小规模试点，因此，向大众普及这种新型衣物还需要一定的时间。进一步提高工艺的产业化水平，将参数标准化，确保生产制备的统一可控性。

对于该项目的合作计划，陶光明教授表示，“我们目前有一定的合作计划，愿意与一到两家具有创新思想的企业进行合作，会进一步研发、改进设计，提供合作中的技术支持。企业方提供产业化生产制造，在推广磁电发电衣的同时，还能为社会提供了更多的就业岗位，为社会的发展尽一份绵薄之力。”

对于下一步的研究进展，该团队计划进一步优化磁性织物，将考虑采用更为先进的工艺方法，提高磁性纤维和磁性织物的柔性和可拉伸性，进一步完善柔性发电衣的制备工艺、不断降低成本等，实现大批量工业化生产。

陶光明教授表示：“希望在未来能看到，在衣物上遍布着各种传感器，通过收集人体运动的能量进行自供电，实时监测人体的健康状态，或是实现各种有趣的功能，衣物一定会以更加智能化的面貌出现在人们的日常生活中。”