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智能可穿戴设备—开启能量收集与精准感知新时代

来源:上海幂方电子科技有限公司 更新时间:2025-03-26 12:00:13 阅读量:92
导读:智能可穿戴设备—开启能量收集与精准感知新时代

研究背景

物联网、人工智能和软机器人的快速发展推动了对柔性电子设备的需求,可穿戴电子系统被视为下一代智能可穿戴设备的潜在候选者。其中,可穿戴柔性热电装置(F-TEDs)能基于塞贝克效应将低品位热转化为电能,在可穿戴能量收集等领域具有重要应用前景。然而,目前大多数研究集中于材料,在提高热电性能的同时,忽略了一些实际应用中的关键参数。传统高性能热电材料多刚性、脆性,难以满足柔性可穿戴需求。二维 F-TEDs 难以维持理想的面外温度梯度,三维 F-TEDs 现有制备策略存在舒适性差、透气性不佳、耐久性不足等问题。
研究成果
可穿戴热电设备能够将人体热量转化为电能,为物联网、人工智能和软机器人技术提供了潜在的驱动力。然而,这些实际应用的关键参数长期以来一直被忽视。在此,华大学覃小红、王黎明教授联合昆士兰科技大学陈志刚教授等人报告了一种三维柔性热电装置,其结构采用内刚外柔的编织设计。这种结构包括许多小型静态气穴,可产生稳定的平面外温差,从而实现精确的温度信号检测(精度可达 0.02 K)。特别是,这种结构具有出色的多信号去耦能力和弹性(>10,000次压缩循环)、20 ms的压缩响应、50% 压缩应变下的稳定输出信号、高透气性(1300 ~mm s-1 )和可清洗性。所有这些指标都达到了目前报道的最高值,完全满足人体热量和水分交换的要求,这一点在我们设计的基于矢量机器学习技术的集成智能面罩和智能手套系统中得到了证明。这项工作表明,我们的三维柔性热电器件在可穿戴电子设备中具有广泛的适用性。相关研究以“Three-dimensional flexible thermoelectric fabrics for smart wearables”为题发表在Nature Communications期刊上。
研究亮点
  1. 采用 3D 编织技术制备具有内外刚性 - 柔性结构的热电间隔织物(TESF),内部有多个静态空气通道,实现超低热导率(<0.05 W m^-1 K-1)、超高透气性(1300 mm s-1)和卓越稳定性(超 10,000 次压缩循环) 。
  2. 2. 具备精确温度检测能力(精度达 0.02 K)和快速温度响应时间(240 ms),热电和压阻效应解耦,在高达 50% 的压缩应变下仍能保持稳定输出电压,压阻响应速度快(20 ms)。
  3. 制作的智能口罩可实时监测呼吸、区分多种面部动作和表情;智能手套集成无线传输模块能实现温度预警,基于支持向量机(SVM)的机器学习模型助力手语学习,手势识别准确率达 100%。

图文导读
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Fig. 1 | Production process and device fabrication schematic of thermoelectric spacer fabric (TESF). 
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Fig. 2 | Sensing performance testing of TESF. 
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Fig. 3 | Decoupling mechanism of mechanical and thermal stimuli in TESF.
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Fig. 4 | Smart mask for respiratory monitoring and disease prediction.
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Fig. 5 | TESF pressure sensor-based human-machine interaction applications enhanced by machine learning algorithms. 
总结与展望
在这项工作中,报告了一种用于可扩展制造高弹性三维热电织物的先进策略。我们采用组合编织方法构建了具有出色支撑特性的三维结构,使得织物内部形成多个静态空气通道,这赋予了织物超低的热导率、超高的透气性和稳定性。这些特性确保了在使用过程中织物厚度方向温度梯度的连续性和耐用性。此外,该织物具有精确的温度分辨率,并表现出压缩滞后性,能够确保对传感刺激做出实时、准确的响应。由于其固有的多个静态空气分布,这种三维装置即使在50%的压缩变形下也能保持稳定的输出信号。由这种织物制成的可穿戴设备可以集成蓝牙模块,以便实时、准确地监测来自身体各个部位的信号。这对于呼吸系统疾病的早期预警以及用户热危害的早期检测具有重要意义。此外,通过结合所提出的基于支持向量机(SVM)的机器学习模型,我们开发了智能手套,帮助残障人士学习手语,手语识别准确率达到100%。因此,我们开发的这些设备具有广泛的实际应用潜力。 
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57889-1
*本文来源:作者团队,感谢作者团队对本公众号的大力支持!如有侵权,请联系删除,如有冒犯之处敬请见谅!

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