论文标题：Multifunctional, Wearable, and Wireless Sensing System via Thermoelectric Fabrics

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.05.026

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柔性热电材料在智能可穿戴设备中发挥着重要作用，如可穿戴发电、自供电传感和个人热管理。然而，随着物联网（IoT）和人工智能（AI）的快速发展，对可穿戴电子产品的舒适性、多功能性和可持续运行性提出了更高的标准，而要满足目前报道的热电器件的所有要求仍然具有挑战性。为此，东华大学纺织学院王黎明、覃小红团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Multifunctional, Wearable, and Wireless Sensing System via Thermoelectric Fabrics”的研究论文，提出了一种基于热电针织面料的多功能、可穿戴、无线传感系统，其透气性超过600 mm/s，可拉伸性达到120%。该器件配合无线传输系统，可以通过手机应用程序（APP）实现对人体呼吸的自供电监测。此外，研究团队还设计了集成热电系统，将光热转换和被动辐射冷却相结合，实现了太阳能驱动面内温差供电并通过APP监测室外阳光强度。此外，我们还根据针织物的各向异性，解耦了太阳照射下变形过程中电阻和热电压的复杂信号，使器件能够通过APP监测和优化运动员的户外身体活动。这种新型的基于热电织物的可穿戴和无线传感平台在下一代智能纺织品中具有广阔的应用前景。

图1 无线传感系统的示意图和应用。

图2 （a）p型和n型热电织物的制备过程。（b）原始热电织物、p型和n型热电织物的电导率、塞贝克系数和功率因数。（c）不同压力下棉织物、p型和n型热电织物的透气率。（d）不同方向p型和n型热电织物的应力-应变曲线。（e）由4块p型热电织物（P；1.5 cm × 0.5 cm）和4块n型热电织物（N；1.5 cm × 0.5 cm）串联组成的热电器件示意图。V：电压表；A：电流表。（f）不同温差下器件的输出电压和输出功率与电流的关系。（g）器件的发电功率是负载电阻的函数。

图3 （a）智能口罩实物图及佩戴口罩时呼气、吸气的红外图像。该器件集成在日常口罩中，一端直接暴露在空气中，一端靠近鼻腔。（b）智能口罩通过呼气和吸气时热电压的变化来检测呼吸。（c）用于呼吸监测的智能口罩示意图。（d）无线传感系统工作原理示意图。（e）无线传感系统电路原理示意图。（f）通过无线传感系统实时监测人体呼吸数据，并在手机APP上显示曲线。（g）APP显示呼吸时曲线有规律，停止呼吸时曲线消失变为直线。（h）具有高温预警功能的智能手套示意图。（i）具有温度检测功能的智能手套示意图和操作原理图。实时监测数据显示在手机APP上。ADC：模数转换器；MCU：微控制器单元；OP AMP：运算放大器。

图4 （a）基于热电织物的白天太阳通量监测系统示意图及工作原理图；（b）p型热电织物、n型热电织物和PEO纳米纤维膜在300~2500 nm波长范围内的吸收光谱；（c）不同太阳通量下装置产生的温差和电压；（d）、（e）白天室外环境中装置的实时电压及对应的太阳通量；（f）用于太阳通量监测的装置实物图；（g）通过无线传感系统监测太阳通量的实时监测数据，并在手机APP上显示曲线。

图5 （a）热电织物在不同方向拉伸的示意图。（b）热电织物在不同方向上的电阻响应。织物在X方向拉伸以表现出更好的电稳定性。（c）不同应变下热电织物在不同方向上的应变系数。（d）手腕在阳光下弯曲时设备各端ΔT变化的示意图。（e）通过无线传感系统实时监测手腕弯曲的数据，并在手机APP上显示曲线。（f）设备在阳光下弯曲前后传热的仿真分析。（g）设备在阳光下弯曲前后热电压分布的仿真分析。

文章信息：

Multifunctional, Wearable, and Wireless Sensing System via Thermoelectric Fabrics

多功能热电织物用于可穿戴无线传感系统

作者：

何昕阳, 蔡佳欣, 刘明远, 倪学鹏, 刘文迪, 郭翰宇, 俞建勇, 王黎明*, 覃小红*

引用：

Xinyang He, Jiaxin Cai, Mingyuan Liu, Xuepeng Ni, Wendi Liu, Hanyu Guo, Jianyong Yu, Liming Wang, Xiaohong Qin. Multifunctional, Wearable, and Wireless Sensing System via Thermoelectric Fabrics. Engineering, 2024, 35(4): 158–167

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.05.026

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