納米技術(shù)給智能穿戴插上騰飛的翅膀

■ 文/任 明 明 月 楊 贏 陳雨竹 陳 韋

納米技術(shù)的引入使得智能穿戴器件原有性能得到強(qiáng)化，甚至增加了新的功能。

電影《少數(shù)派報(bào)告》劇照

智能穿戴方興未艾

顧名思義，智能穿戴是一類(lèi)具有智能化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)的可穿戴產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的穿戴產(chǎn)品相比，智能穿戴集成了化學(xué)、物理、微電子等學(xué)科知識(shí)，能夠?qū)C(jī)械、熱、化學(xué)、電、磁等環(huán)境的刺激做出響應(yīng)，從而具備傳統(tǒng)保暖、裝飾之外的感應(yīng)、監(jiān)測(cè)等功能。從智能手環(huán)到智能服裝，從電子皮膚到人工肌肉，智能穿戴廣泛應(yīng)用于休閑娛樂(lè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療監(jiān)控、機(jī)器人仿生等領(lǐng)域，由于其獨(dú)特的功能和炫酷的科技既視感而廣受追捧。

從本質(zhì)上講，智能穿戴器件可分為可穿戴能源器件、可穿戴傳感器和可穿戴驅(qū)動(dòng)器三大領(lǐng)域。

可穿戴能源器件，即將柔性電極材料、柔性介電材料或電解質(zhì)材料組裝成超級(jí)電容器或者電池，為電子產(chǎn)品提供電能驅(qū)動(dòng)。由于制備材料是柔性的，最終得到的能源器件也是柔性的，同時(shí)具有良好的防水性，可以多次洗滌，并且在水下操作都不會(huì)影響性能，這進(jìn)一步增大了其與織物集成的可行性。2012年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的王中林院士首次提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）概念。之后，摩擦納米發(fā)電機(jī)迅速成為炙手可熱的可穿戴能源器件，其利用電負(fù)性不同的柔性可拉伸材料，將摩擦生電和靜電引力耦合，把人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，對(duì)手機(jī)、電子手表等進(jìn)行充電。除TENG外，香港理工大學(xué)陶肖明教授團(tuán)隊(duì)對(duì)可穿戴熱電纖維材料進(jìn)行了深入研究，這種熱電纖維材料制備的器件可以直接為可穿戴或移動(dòng)電子系統(tǒng)供電。

可穿戴傳感器可以直接貼附人體皮膚或者集成到服裝上，對(duì)外界環(huán)境的特定氣體、濕度、溫度、力、溶液中特定溶質(zhì)等刺激進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)環(huán)境氣體、人體的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)、生理信號(hào)（如脈搏、體溫、血糖和汗液等）等進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及語(yǔ)音手勢(shì)識(shí)別。將其應(yīng)用在機(jī)器人或者義肢上，可以使機(jī)器人或肢體缺失者獲得響應(yīng)環(huán)境刺激的功能。因此，可穿戴傳感器強(qiáng)化或新增了我們感知世界的能力。美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲楠教授課題組對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，他們制備的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）陣列又稱(chēng)電子皮膚，具有高度靈敏的觸覺(jué)感應(yīng)性，可以分辨出放置在陣列上的小瓢蟲(chóng)腿的位置，甚至當(dāng)質(zhì)量為20毫克的藍(lán)蠅落在陣列上，它也能“感覺(jué)”得到。另外，他們借助光遺傳學(xué)，成功地將接觸刺激通過(guò)電子皮膚傳遞到小鼠的大腦切片，這意味著人們向真正的“有感覺(jué)”又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

可穿戴驅(qū)動(dòng)器即人工肌肉，是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的器件。根據(jù)驅(qū)動(dòng)能量的種類(lèi)不同主要可以分為電驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)動(dòng)器、熱驅(qū)動(dòng)器等，其中電驅(qū)動(dòng)研究較為廣泛。人工肌肉材料主要有壓電陶瓷、介電彈性體、形狀記憶合金以及電活性聚合物（EAP）。其中，電活性聚合物因組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔韌性好、在空氣中可以產(chǎn)生穩(wěn)定的大變形，是目前人工肌肉領(lǐng)域研究的熱門(mén)材料。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所及香港理工大學(xué)陳韋教授課題組在仿生離子聚合物驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛深入的研究。特別是在離子型驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)多孔柔性納米碳電極與離子電解質(zhì)層互嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)電極材料原位活化以及使用新型碳材料石墨炔，制備了一系列能夠在安全低壓（＜5伏）內(nèi)穩(wěn)定大變形的可穿戴驅(qū)動(dòng)器件。同時(shí)，我們還提出并驗(yàn)證了一種新型分子驅(qū)動(dòng)機(jī)制——石墨炔烯互變效應(yīng)，該機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)的電容驅(qū)動(dòng)機(jī)制，突破了力電轉(zhuǎn)換的瓶頸，能量密度與哺乳動(dòng)物生物肌肉能量密度相當(dāng)。新型人工肌肉智能材料等成果得到了國(guó)際同行高度關(guān)注，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）、《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）、《ACS納米》（ACS Nano）等發(fā)表SCI論文100余篇，研究成果被《科學(xué)》《自然通訊》《自然亞洲材料》等重點(diǎn)評(píng)述報(bào)道。

納米技術(shù)助力智能穿戴發(fā)展

作為一種新興技術(shù)，納米技術(shù)近年來(lái)得到了蓬勃發(fā)展。納米材料由于其表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特性而被廣泛應(yīng)用。將納米技術(shù)與智能穿戴有機(jī)結(jié)合，將產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。

柔韌性、可拉伸性和電學(xué)性能是智能穿戴產(chǎn)品的主要特性，為了使智能穿戴產(chǎn)品同時(shí)具有良好的柔韌性和優(yōu)異的電學(xué)性能，導(dǎo)電高分子和納米材料是首選。但是，有些導(dǎo)電高分子的彈性較差，可以通過(guò)在共軛高分子中進(jìn)行納米晶增強(qiáng)，獲得具有高彈性的納米復(fù)合高分子材料。除導(dǎo)電高分子外，絕緣高分子和納米導(dǎo)電材料的復(fù)合也是獲得高性能智能穿戴材料的一種方法。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的可拉

伸性，在兩PDMS層中間涂敷銀納米線，形成“夾心餅干”結(jié)構(gòu)，可以得到摩擦納米發(fā)電機(jī)；還有科研人員將金屬納米粒子與高分子溶液混合制備復(fù)合納米導(dǎo)電墨水，用于微電路或電極打印。除金屬納米線和納米粒子外，碳納米材料由于其良好的電學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)、大比表面積、多孔結(jié)構(gòu)等特性，也備受研究人員青睞，其中碳納米管（CNT）和“新材料之王”石墨烯（Graphene）作為智能穿戴器件的電極材料被廣為研究。

可見(jiàn)，納米結(jié)構(gòu)和智能穿戴的結(jié)合可以強(qiáng)化已有性能甚至產(chǎn)生新的功能，將會(huì)是一個(gè)非常有趣的研究方向。智能穿戴納米技術(shù)，作為新興領(lǐng)域和熱點(diǎn)課題，正引起國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。以碳納米管和石墨烯為主的新型納米碳材料，除具有優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能之外，還展現(xiàn)出獨(dú)特的能量轉(zhuǎn)換特性，如將電能、光能、熱能等直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能等。近10年來(lái)，基于納米碳的智能材料研究受到國(guó)際高度關(guān)注。我們研究團(tuán)隊(duì)致力于發(fā)展高性能仿生傳感驅(qū)動(dòng)智能材料，開(kāi)展碳基柔性驅(qū)動(dòng)新材料設(shè)計(jì)、微觀結(jié)構(gòu)和性能控制，以及功能原型器件構(gòu)筑與應(yīng)用等方面的研究，取得了一系列重要進(jìn)展。接下來(lái)，我們分別針對(duì)穿戴能源、穿戴傳感及穿戴驅(qū)動(dòng)等方面的成果進(jìn)行介紹。

離子智能穿戴器件是基于仿生原理，即通過(guò)離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電學(xué)和力學(xué)的響應(yīng)，其中電極的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能起到至關(guān)重要的作用，我們?cè)诩{米電極領(lǐng)域做了大量的研究工作。為了實(shí)現(xiàn)可穿戴器件的產(chǎn)品化，其供能部件也需要柔性化和高性能化，因此，高性能的柔性?xún)?chǔ)能器件將越來(lái)越顯示出其潛在的市場(chǎng)價(jià)值。在柔性?xún)?chǔ)能器件方面，我們?cè)谔技{米管表面原位生長(zhǎng)一層金屬-有機(jī)骨架材料（MOF）結(jié)構(gòu)，得到一種兼具大比表面積和力學(xué)柔韌性的“糖葫蘆串”形貌的MOF多孔碳電極材料（如圖a所示）。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，碳納米管不僅提高了材料導(dǎo)電性，而且賦予了材料連續(xù)性與柔韌性；另一方面，MOF結(jié)構(gòu)起到吸附容納離子的作用。該結(jié)構(gòu)電極組裝成的柔性薄膜超級(jí)電容器在變形之后，性能保持良好并且運(yùn)行穩(wěn)定，在可穿戴設(shè)備供能領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)石墨烯和碳納米管等材料無(wú)序堆積時(shí)，其大的接觸電阻會(huì)使材料的電學(xué)性能下降。我們將碳納米管當(dāng)作智能間隔物，將石墨烯片層分隔開(kāi)來(lái)，增大了離子積累空間并為離子傳輸提供通道，同時(shí)碳納米管起到了電子傳輸以及機(jī)械結(jié)合的橋接作用，具有力、電學(xué)性能穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。我們還設(shè)計(jì)了垂直定向排列的碳納米管電極，設(shè)計(jì)有序的納米通道使離子由傳統(tǒng)的長(zhǎng)程跨膜傳輸變成近電極界面處的短程擴(kuò)散過(guò)程（如圖b所示），發(fā)展了以此為電極的新型無(wú)源力學(xué)傳感器件，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大形變穩(wěn)定性、無(wú)源自驅(qū)動(dòng)以及方位識(shí)別等優(yōu)異特性，并成功開(kāi)發(fā)出了智能手套上用于脈搏生理指標(biāo)檢測(cè)、手語(yǔ)識(shí)別、盲文識(shí)別等應(yīng)用。

在柔性驅(qū)動(dòng)器件方面，我們?cè)O(shè)計(jì)制備了新型碳氮二維納米片電極材料，并成功構(gòu)筑了具有快速大應(yīng)變響應(yīng)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器。如圖c(1)所示，利用含碳前驅(qū)體與碳氮前驅(qū)體合成氮摻雜的類(lèi)石墨烯二維材料，并和碳納米管混合，碳納米管與碳氮納米片結(jié)合形成多孔的帶狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。正是由于該電極特有的微孔尺寸、分布以及與離子液體強(qiáng)相互作用，電極內(nèi)部離子的嵌入嵌出表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)應(yīng)變特性?；谝陨闲阅?，我們成功實(shí)現(xiàn)了撲翼飛行、線性運(yùn)動(dòng)、蛇形爬行等多自由度運(yùn)動(dòng)形式仿生驅(qū)動(dòng)材料的設(shè)計(jì)。另外，通過(guò)對(duì)石墨炔材料的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器的研究，我們發(fā)現(xiàn)石墨炔材料在驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生石墨炔烯炔互變，基于可逆配位轉(zhuǎn)換效應(yīng)引起的材料結(jié)構(gòu)變化，如圖c(2)所示。這種電極不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換能力。

綜上所述，納米技術(shù)的引入使智能穿戴器件原有性能得到強(qiáng)化或者增加了新的功能。納米技術(shù)給智能穿戴插上了騰飛的翅膀。

挑戰(zhàn)與展望

雖然智能穿戴發(fā)展快速，在人工智能領(lǐng)域開(kāi)花結(jié)果，但是目前其發(fā)展的道路并非一帆風(fēng)順，仍然存在一些急需解決的問(wèn)題。首先，智能穿戴產(chǎn)品在服役過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多次機(jī)械變形，機(jī)械穩(wěn)定性是面臨的問(wèn)題。通過(guò)將功能材料制備成纖維進(jìn)而紡織成織物的“無(wú)縫集成”是提高穩(wěn)定性的一個(gè)有效方法。其次，智能穿戴產(chǎn)品感知外界刺激的能力以及對(duì)刺激響應(yīng)的強(qiáng)度仍然不高，如可穿戴傳感器在低壓范圍內(nèi)的靈敏度不高、人工肌肉對(duì)外輸出的力不大，解決這些問(wèn)題仍然是未來(lái)發(fā)展的方向。第三，人的皮膚和肌肉在受到損傷之后能夠愈合，智能穿戴產(chǎn)品在穿戴過(guò)程中難免會(huì)受到損傷，這縮短了產(chǎn)品的使用壽命，損傷之后的自愈合性，能使電子皮膚和人工肌肉更接近真實(shí)。此外，絕大多數(shù)可穿戴器件都需要外界提供能量以驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行，而器件和電源之間的連接線則嚴(yán)重限制了其應(yīng)用，發(fā)展無(wú)源自供電可穿戴器件則可以很好地解決這一窘境。

當(dāng)前，智能穿戴產(chǎn)品對(duì)外界刺激的感知以及對(duì)刺激的響應(yīng)都與人的主觀意念沒(méi)有太多關(guān)系，即可穿戴產(chǎn)品感受到外界刺激后自行對(duì)外做出響應(yīng)。那么，在可穿戴產(chǎn)品感受到刺激信號(hào)和做出響應(yīng)信號(hào)中間是否能設(shè)計(jì)一個(gè)受主觀意念控制的中樞控制中心呢？這樣能讓人通過(guò)主觀想法決定信號(hào)的傳輸（類(lèi)似于人體神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)傳遞）。如果這一天真的到來(lái)，孫悟空控制金箍棒的場(chǎng)景就會(huì)被搬到現(xiàn)實(shí)生活中來(lái)，影視中的奇異服裝便不再科幻。