孙其君研究员团队Nano Energy：保温隔冷织物纳米发电机用于户外可穿戴传感和交互应用展示了一种基于隔热纺织品(TI-textile)的TENG (TI-TENG)，它由多个功能层组成，包括关键的摩擦电气化层、镀银尼龙电极、防风外层纺织品和内层纺织品衬里。通过材料改性和结构优化可以提高TI-TENG的摩擦输出性能。制备的TI-TENG被证明具有多功能(例如，隔热和抗菌性能)和智能(例如，传感和能量收集功能)。此外，利用TI-TENG作为自供电可穿戴传感器和人机交互界面，开发了一种智能人体运动监测和户外无线信号传输系统，可在户外活动中一键呼叫紧急救援。TI-Textile的大规模生产也为TENG提供了巨大的商业潜力，为多功能可穿戴设备的自供电传感、能量收集和人机交互提供了新的研究方向。该成果以“Thermal insulating textile based triboelectric nanogenerator for outdoor wearable sensing and interaction”为题发表在Nano Energy上。

　　对比化学修饰前的聚酯纤维，TI-Textile具有优异的柔韧性、高绝热性能、高抗菌活性、轻质和快速干燥性能。

　　图1.TI-TENG的应用场景、结构和性能。(a)保温服的应用场景及组成。(b) TI-TENG的示意图演示。(c, d) TI-Textile的SEM图像。比例尺:1mm和100µm。(e) 去离子水落在TI-Textile表面前后的水滴。(f) TI-Textile批量化生产的照片。(g)各种样品在65℃露天热板上的表面温度变化。(h) I)不同样品放置在手掌上的红外摄像机热像图; II)样品的照片图像。(II) TI-Textile的隔冷性能照片。(j) TI-Textile对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌性能。(①和②聚酯纤维下的菌落培养，③和④TI-Textile下的菌落培养）。(k)佩戴隔热护带的照片。

　　随着对聚酯纤维表面进行的材料改性，更多球状的微结构覆盖在聚酯纤维表面。表面的微球结构增加了摩擦层间的接触面积，提升了电输出性能。在后续测试中，制备的多种材料、结构和层数用来研究TI-TENG的电输出性能。

　　图2. TI-TENG的工作原理和输出性能。多层TENG结构示意图:(a)基本的TI-TENG结构;(d)用防风/防水/防雪织物和织物内衬包覆的TI-TENG。多层垂直接触分离方式的工作原理示意图:(b) TI-TENG的基本结构;(e) TI-TENG包覆在防风/防水/防雪织物和织物内衬里。(c)不同接触频率(1 ~ 5 Hz)下，基本结构TI-TENG和防风/防水/防雪织物和织物内衬TI-TENG的ISC、VOC和QSC。

　　图3. 水洗性，长期稳定性，拉伸性，以及TI-TENG的多层性能。TI-TENG的长时间水洗性能:(a)开路电压，(b)短路电流，(c)转移电荷。不同摩擦次数(原始、1000次、2000次、4000次)下TI-TENG的(d)电压、(e)功率、(f)电流对比。(g) TI-Textile在各方向的应力-应变曲线。不同拉伸条件下(接触分离频率为2hz)的输出特性:(h)转移电荷和(i)开路电压。(j)接触分离频率为1Hz时有多层TI-Textile组成的TI-TENG的ISC、VOC和QSC。TI-Textile在（k）45℃和（l）65℃露天热板上的不同层的表面温度。

　　众所周知，人体汗液是人类健康监测中最常用和最重要的生物传感指标之一。在日常生活中，具有良好透气性的TI-Textile作为可穿戴式汗液传感器，可以在持续的户外活动中吸收汗水，使我们长时间舒适地运动。

　　图4. 用于生理健康监测的汗液传感器。(a) TI-Textile吸收汗液的过程。(b) 不同浓度NaCl溶液浸泡干燥TI-Textile的EDS图谱，比尺为100µm。(c) 根据浓度增加的动态瞬时电压响应。(d) 用去离子水和各种浓度的NaCl溶液(0.001-1mol/L)浸泡干燥的TI-Textile的输出电压。(e)对浸没在少量和多量汗液中的干燥TI-Textile进行实时监测。(f) TI-Textile浸泡在NaCl溶液干燥过程中表面离子动态变化过程示意图。

　　施加的力与TI-TENG的电输出密切相关，TI-TENG作为压力传感器在低压范围内表现出高灵敏度，这使得它可以作为自供电(生物)机械传感器工作。

　　图5. 人体生理信号的监测。(a)压力传感器示意图演示。(b)在不同压力下，TI-TENG的电输出。(c) TI-TENG的输出电压作为加载压力变化的函数。（d）TI-TENG对手臂弯曲角度的实时监测，插图表现为不同的运动状态。（e）手腕弯曲30°、45°、60°和90°处的响应输出信号。（f）当测试者抬腿时，在臀部采集的TI-TENG输出信号。（g）将TI-TENG安装在腰部测量腰部运动时的电压响应。（h）手肘弯曲30°、45°、60°、90°和120°的输出信号。（i）膝关节弯曲30°、45°、60°、90°和120°处的响应输出信号。

　　开发了一个多功能户外救援系统，将 TI-TENG 用作人机交互界面的自供电无线信号传输传感器。

　　图6. 户外交互式应用的示范。(a)实时安全监控和智能户外救援系统示意图。(b)意外摔倒时产生的电信号。(c) 户外救援系统的具体功能的照片。(d) TI-TENG无线音乐播放系统。(e)手指触摸时的电信号输出。(f)户外音乐播放器通过手指触发TI-TENG。

　　由于TI-Textile优越的隔热性能，室外活动时的热管理也可以实现。基于TI-TENG的多功能传感器和人机交互系统可方便地用于运动检测、健康监测和无线传输。用多层隔热纺织品组成多功能传感器的大规模生产，为未来户外电子产品和柔性可穿戴设备的发展开辟了一条新途径。

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