学术研究报告：基于热电织物的多功能可穿戴无线传感系统

第一作者及机构
本研究的通讯作者为东华大学的Liming Wang（王利明）和Xiaohong Qin（覃小红），第一作者为Xinyang He（何新阳）等。研究团队来自东华大学纺织科学与技术教育部重点实验室、纤维材料改性国家重点实验室以及纺织科技创新中心。该研究成果发表于期刊Engineering，在线发布于2023年10月17日，文章标题为《Multifunctional, Wearable, and Wireless Sensing System via Thermoelectric Fabrics》。

学术背景
研究领域为柔性热电材料与智能可穿戴技术。随着物联网（IoT）和人工智能（AI）的发展，可穿戴设备对舒适性、多功能性和可持续供能提出了更高要求。传统热电设备存在透气性差、功能单一、依赖有线供电等问题。本研究旨在开发一种基于热电织物的无线传感系统，实现自供能的人体生理信号监测（如呼吸、运动）和户外环境参数（如太阳辐射强度）的实时反馈。

研究背景知识包括：
1. 热电材料（Thermoelectric Materials）：可将温差直接转换为电能，但传统柔性热电材料（如聚合物复合材料）透气性差。
2. 智能纺织品（Smart Textiles）：需兼顾机械拉伸性、透气性与电学性能。
3. 无线传感系统：需解决信号干扰与多参数解耦问题，例如同时监测应变与温度变化。

研究流程与方法
研究分为四大实验模块，具体流程如下：

1. 热电织物的制备与表征

• 材料制备：
  
  • 原始热电织物：将棉针织织物浸泡在碳纳米管（CNT）分散液中，通过浸渍法形成导电网络。
    
  • p型织物：用二甲亚砜（DMSO）修饰的PEDOT:PSS溶液浸渍，增强空穴传导。
    
  • n型织物：通过油胺（Oleamine）掺杂CNT，实现电子传导。
    
• 性能测试：
  
  • 热电性能：采用自建平台测量塞贝克系数（Seebeck Coefficient）和电导率，p型织物的功率因子（Power Factor）达45 μW·m⁻¹·K⁻²。
    
  • 机械性能：拉伸率超过120%（沿x方向达190%），透气性>600 mm·s⁻¹（100 Pa压力下）。
    
  • 稳定性：n型织物在空气中可稳定工作30天。
    

2. 无线呼吸监测系统

• 器件设计：将8对p-n型织物串联成热电装置，集成到口罩中，一端接触鼻腔呼出气体，另一端暴露于环境温度。
  
• 信号处理：通过蓝牙模块将热电压信号传输至手机APP，实时显示呼吸曲线。
  
• 实验结果：可检测最小温差0.27 K，呼吸频率识别精度达99%。
  

3. 太阳能驱动的户外太阳辐射监测

• 器件改进：在热电装置一端静电纺丝聚乙烯氧化物（PEO）纳米纤维膜，实现被动辐射冷却（Radiative Cooling），另一端保留CNT的光热转换特性。
  
• 性能验证：在1太阳光强度（1 kW·m⁻²）下，器件产生9.5 mV热电压，温差达30 K。户外测试显示，APP可实时反馈太阳辐射强度（如正午12时光强对应0.8 mV信号）。
  

4. 各向异性应变传感与运动监测

• 创新设计：利用针织物的应变各向异性（Strain Anisotropy），沿x方向拉伸时电阻变化微弱，而沿y方向电阻显著降低。
  
• 应用验证：将织物传感器佩戴于手腕，在阳光下通过弯曲动作减少光热输入，实现自供能运动监测（如篮球运球计数）。
  

主要结果与逻辑关联
1. 热电织物性能：高透气性和拉伸性解决了传统柔性热电材料的穿戴舒适性问题，为后续集成奠定基础。
2. 呼吸监测：温差信号与呼吸频率的线性关系验证了自供能传感的可行性。
3. 太阳辐射监测：PEO膜与CNT的结合实现了昼夜可用的环境能量收集。
4. 运动监测：应变各向异性设计解决了户外复杂信号（温度+应变）的干扰问题。

研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出了一种基于针织结构的热电织物设计范式，兼顾热电性能与穿戴舒适性。
- 首次实现太阳能驱动的无线多参数传感（呼吸、光强、运动）。
2. 应用价值：
- 可用于运动员训练优化、呼吸疾病预警、极端天气提醒等场景。
- 为下一代智能纺织品提供了“能源-传感-无线传输”一体化解决方案。

研究亮点
1. 创新材料：通过CNT和PEDOT:PSS的复合设计，同时优化热电性能和机械性能。
2. 多功能集成：单一系统实现生理与环境参数的双重监测。
3. 无线解耦技术：利用织物各向异性分离应变与温度信号，提升户外监测可靠性。

其他价值
- 研究获得中国国家自然科学基金、上海市科委国际合作项目等支持。
- 实验数据与代码已通过Supplementary Data公开，可重复性高。

（全文约2000字）