物质学院凌盛杰课题组成功设计具有智能感知功能的织物

近日，上海科技大学物质科学与技术学院凌盛杰课题组利用静电纺丝辅助转杯纺技术（Electro-assisted core spinning technique, EACST），成功制备了具有核-壳结构的超柔性摩擦发电织物，并以此为载体，通过整合物联网技术和机器学习方法，实现该织物在智慧感知领域的应用。该成果论文发表于国际学术期刊ACS Nano。

市场对于可穿戴设备，尤其是可以实时监测人体状况及感知环境信息的智能织物抱有很高的期待。因此智能纺织品和多功能集成的可穿戴设备的研究近年来获得飞速发展。与在织物上安装电池、电路、芯片和传感设备的传统智能织物相比，在纤维（或纱线）尺度上进行功能化随后加工成智能织物，是一种可以保持智能织物舒适性和透气性的优选方法。

近期，物质学院凌盛杰团队利用EACST成功制备了一种皮芯结构的摩擦纳米发电纱线。纱线由具有微纳米尺度粗糙度的聚偏氟乙烯皮层和机械强度高且导电的不锈钢纱线芯层组成，该结构纱线可直接应用于单电极模式的摩擦纳米发电机。

图1. 利用EACST制备的皮芯结构纱线具有良好的力学性能及可加工性

该纱线具有良好的力学性能。测试表明，该皮芯结构复合纱线能够承受较大的强力且具有良好的柔韧性，满足机械化加工及编织的需求。在超过十万次弯折测试后，纱线结构形貌没有明显变化。得益于其结构和力学性能优势，该复合纱线可通过自动化刺绣机加工成IntelliSense织物（IS织物）。基于该IS织物的摩擦纳米发电机能够在不同材料接触时输出电能，从而直接点亮LED灯珠，或者给电容器充电以储存电能。

该纱线编织成的摩擦纳米发电织物具有运动能量收集功能，对高频动态机械刺激敏感。由于纱线表面具有粗糙度，IS织物的输出峰值电压与接触力成正比。其负载输出电压随着接触频率的增加而增加，并且对于高频接触具有良好且同步的响应性。2万次循环测试结果表明，IS织物能够持久保持摩擦发电功能。

IS织物传感灵敏性高，具有感知和区分不同材料产生的瞬时机械刺激的能力。它可以检测到不同材料接触产生的正负输出电压信号峰型的微小差异。虽然这些差别用肉眼难以区分，但是对于机器学习模型来说足以准确分辨。为了提高IS织物感知的精度，凌盛杰团队进一步开发了一个基于循环神经网络的机器学习模型来准确识别这些信号，并探索了其在智能感知中的实际应用。

IS织物的高灵敏性还可以通过与物联网技术相结合，实现对电子器件的远程和无线控制。该核壳结构包覆纱线在可穿戴能源织物、智能感知纺织品和人机交互方面具有良好的应用前景。

上海科技大学物质学院博士生叶超与硕士生杨硕为论文共同第一作者，通讯作者为上海科技大学物质学院凌盛杰教授。上海科技大学为第一完成单位。

论文标题：Electro-assisted Core-spun Triboelectric Nanogenerator Fabrics for IntelliSense and Artificial Intelligence Perception

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c10680