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不是依赖外部电源的自供电传感系统是一项重大挑战。
近期，江南大学王强教授课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Highly stretchable, sensitive, and multifunctional thermoelectric fabric for synergistic sensing systems of human signal monitoring”的研究成果。将喷涂和原位酶促聚合相结合，制备了一种柔韧、反应灵敏、高拉伸性和高透气性的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。所制备的热电织物具有320%的高应变、121 S/m的电导率和13.8 μV/K的塞贝克系数。PEDOT/MWCNT热电织物传感器在自供电工作模式下进一步实现了人体关节应变和微环境温度的检测。这种自供电的温度-应变双参数传感器具有良好的传感性能，可集成到衣服或配件中，有望用于可穿戴医疗保健设备。江南大学博士研究生崔一帆为本文第一作者，江南大学王强教授为通信作者。
基于PEDOT和MWCNT出色的塞贝克效应，PEDOT/MWCNT@PLF被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（图1a-c）。此外，该传感器的最低检测限为1 K（图1d-e）。即使经过1000次弯曲，热电织物的电导率和塞贝克系数也仅有轻微下降（图1f），这表明热电特性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PEDOT/MWCNT@PLF温度传感器时，分别出现了微弱的负信号和较强的正信号（图1g）。温度传感器的响应时间为0.60 s（图1h）。
图1 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（图2a），完全适合用于人体关节健康监测的智能可穿戴设备。该应变传感器成功检测到的最小和最大应变值分别为1%和100%（图2b）。拉伸会破坏导电通路，直接影响织物的导电性。传感器在50%应变时的响应时间为0.47秒（图2c-d）。在50%应变下重复拉伸2000次后，传感器对应变的实时响应非常稳定，波动极小（图2e）。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（图2g）。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（图2h）。
图2 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；并集成到舒适层和隔热层之间，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。相对电阻变化的幅度也可以通过连续监测进行分析。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（图3a-d）。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，产生的热电压信号消失。用于模拟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，确保消防员的人身安全（图3e-f）。
图3基于PEDOT/MWCNT@PLF自供电传感器集成到消防服中实际应用
综上所述，与化学聚合中使用的催化剂氯化铁相比，酶促聚合制备的PEDOT热电织物不掺杂金属离子，使柔性织物的热电性能更加稳定。高度集成的双参数传感器能够快速、稳定、实时地感知温度和应变。所设计的可穿戴传感系统可用于消防服隔热层微环境温度和消防员健康状况的多模态协同监测，在医疗和保健领域具有巨大的应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00339-8
王强教授，博士生导师，生态纺织教育部重点实验室副主任，江苏省纺织工程学会印染专委会副主任，纺织科学与工程学院生态染整研究室主任。主要从事生态染整技术与纺织生物技术教学与科研工作，主持“十四五”国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金面上项目3项。主编及参编（译）教材、中英文科技书等7部，其中副主编《纺织品染整工艺学（第3版）》获首届全国教材建设奖“优秀教材一等奖”。在Green Chem.，Chem. Eng. J.等期刊发表SCI收录论文210余篇，入选爱思唯尔2020、2021、2022“中国高被引学者”。获国家技术发明二等奖、教育部高等学校科学技术奖技术发明一等奖、中国轻工业联合会技术发明一等奖各1项，江苏省科学技术奖二等奖1项及中国纺织工业协会/联合会科学技术奖二等奖5项。获教育部新世纪优秀人才、江苏省“333工程”中青年科学技术带头人、江苏省“六大人才高峰”等荣誉称号。
