深圳大學(xué)陳光明教授AM：高靈敏度熱電織物實現(xiàn)人體體溫持續(xù)監(jiān)測與發(fā)熱預(yù)警

隨著可穿戴技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，個性化健康監(jiān)測正迎來新的時代，使得以非侵入方式實時追蹤生理信號成為可能。在眾多健康指標(biāo)中，體溫作為一項基本的生命體征，為個體的代謝狀態(tài)、晝夜節(jié)律及潛在發(fā)熱疾病提供了關(guān)鍵信息。然而，傳統(tǒng)的測量設(shè)備，如水銀溫度計、紅外傳感器和數(shù)字熱敏電阻，往往存在操作不連續(xù)、形態(tài)剛性、可穿戴性有限等缺點，難以滿足早期診斷和預(yù)防性醫(yī)療所需的長期、連續(xù)監(jiān)測需求。近年來，柔性和可拉伸電子系統(tǒng)的發(fā)展為將傳感功能嵌入紡織品創(chuàng)造了新的可能，旨在人體與數(shù)字健康平臺之間建立無縫接口。其中，能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電信號的熱電（TE）材料，為自供電溫度傳感提供了一條充滿希望的途徑。

近日，深圳大學(xué)陳光明教授、梁麗榮助理教授團隊成功開發(fā)出一種基于PEDOT:PSS/SWCNT@PU復(fù)合纖維的高靈敏度熱電織物，可用于人體體溫監(jiān)測與發(fā)熱警報。該研究通過便捷的凍融誘導(dǎo)凝膠化輔助濕法紡絲工藝，制備出連續(xù)的PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維，其電導(dǎo)率高達(dá)1960 S cm?1，功率因數(shù)達(dá)59.6 μW m?1 K?2，拉伸強度達(dá)103 MPa。經(jīng)聚氨酯（PU）封裝后，復(fù)合纖維進(jìn)一步獲得了優(yōu)異的機械柔性、理想的耐磨性、顯著的耐洗性、耐低溫性，并且在超過1000次彎曲/扭轉(zhuǎn)循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的熱電性能。由32個p型單元組成的最終熱電織物在50 K溫差下實現(xiàn)了60.1 μW cm?2的功率密度，性能超過了大多數(shù)已報道的PEDOT:PSS基纖維器件，并且在經(jīng)歷各種機械形變后仍能保持95%以上的性能。基于該織物開發(fā)的集成式智能發(fā)熱監(jiān)測系統(tǒng)（可置于額頭、手腕或腋下）對低/高熱監(jiān)測表現(xiàn)出高靈敏度（警報響應(yīng)時間<5秒）和良好的重復(fù)性（50次循環(huán)內(nèi)響應(yīng)時間為3-4.3秒）。這種復(fù)合熱電纖維有望推動可穿戴熱電織物在人體能量收集、個性化醫(yī)療和智能健身監(jiān)測領(lǐng)域的實際應(yīng)用。相關(guān)論文以“Highly Sensitive Thermoelectric Fabric of PEDOT:PSS/SWCNT@PU Composite Fibers for Body-Temperature Monitoring and Fever Alarming”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究人員首先通過凍融循環(huán)處理、溶液共混和高效的濕法紡絲工藝制備了柔性PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維。圖1示意了復(fù)合纖維的制備過程及其最終構(gòu)成熱電織物的應(yīng)用場景。經(jīng)過優(yōu)化的紡絲原液通過濕法紡絲形成連續(xù)均勻的纖維，再經(jīng)由硫酸后處理去除絕緣的PSS組分并優(yōu)化PEDOT分子鏈構(gòu)象，最后通過浸漬法引入柔韌的PU涂層，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS/SWCNT@PU復(fù)合纖維。PU涂層不僅封裝了纖維，還賦予了其優(yōu)異的柔性和機械穩(wěn)定性，使其易于集成到可穿戴電子設(shè)備的織物中，用于人體熱能收集、體溫實時監(jiān)測與警報。

圖1：柔性PEDOT:PSS/SWCNT@PU復(fù)合纖維及相應(yīng)熱電織物的制備過程示意圖。

對復(fù)合纖維的形貌和結(jié)構(gòu)表征揭示了其微觀特性（圖2）。掃描電鏡圖像顯示，原始復(fù)合纖維直徑約為38.6 μm，經(jīng)硫酸處理后顯著縮小至29.7 μm，這主要歸因于大量絕緣PSS的去除。PU涂覆后，纖維直徑增加至約49.3 μm，且涂層表面光滑致密。元素分布分析證實了纖維形成了明確的核鞘結(jié)構(gòu)。X射線光電子能譜分析表明，酸處理使PSS與PEDOT的質(zhì)量比從1.9降至1.4，有效提升了纖維的電導(dǎo)率。拉曼光譜分析顯示，復(fù)合纖維中SWCNT的G峰發(fā)生紅移，表明PEDOT:PSS與SWCNT之間存在有效的電荷轉(zhuǎn)移和強界面相互作用，這有助于提升熱電性能。此外，應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，酸處理后的纖維斷裂強度高達(dá)103 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。

圖2：形貌與結(jié)構(gòu)表征。 A) 原始PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維的SEM圖像。B) 經(jīng)H?SO?后處理的PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維的SEM圖像。C) PU封裝的PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維的SEM圖像。D) PEDOT:PSS/SWCNT@PU復(fù)合纖維的EDS圖像。E,F) 原始及后處理PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維的X射線光電子能譜（XPS）S2p譜。G) 不同SWCNT含量復(fù)合纖維的拉曼光譜。H) 不同樣品的拉曼光譜。I) 原始與后處理PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

研究人員系統(tǒng)評估了復(fù)合纖維的熱電性能及其穩(wěn)定性（圖3）。經(jīng)硫酸處理后，復(fù)合纖維的電導(dǎo)率達(dá)到1960 S cm?1，功率因數(shù)達(dá)到59.6 μW m?1 K?2。當(dāng)SWCNT含量為10 wt.%時，纖維獲得最佳熱電性能。值得注意的是，即使在經(jīng)過1000次卷繞或扭轉(zhuǎn)循環(huán)后，纖維的σ和S值性能衰減也小于3%，展現(xiàn)了卓越的機械穩(wěn)定性。得益于PU涂層的保護(hù)，纖維還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水性和耐低溫性，在水中連續(xù)攪拌30天或在-18°C環(huán)境中放置30天后，其熱電性能變化均小于2%。

圖3：熱電性能與穩(wěn)定性評估。 A) 柔性PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維經(jīng)H?SO?處理前后的熱電性能（σ, S, 及計算所得PF=σS2）。B) 不同SWCNT重量含量復(fù)合纖維的σ和S。C) 不同復(fù)合纖維的計算所得PF。柔性纖維在經(jīng)歷 D) 多次卷繞循環(huán)或 E) 扭轉(zhuǎn)循環(huán)后的σ和S變化。纖維在 F) 水中浸泡或 G) 暴露于低溫條件（-18 °C）不同時間間隔后的σ和S變化。H) 各種PEDOT:PSS基復(fù)合纖維的σ和機械性能比較。

基于這些性能卓越的纖維，研究團隊構(gòu)建了由32個p型單元串聯(lián)組成的柔性熱電織物，并評估了其輸出性能（圖4）。該織物在0至50 K的溫差范圍內(nèi)，開路電壓與溫差呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，在50 K溫差下達(dá)到23.2 mV。最大輸出功率密度在50 K溫差下達(dá)到60.1 μW cm?2，歸一化功率密度為0.024 μW cm?2 K?2，優(yōu)于許多已報道的PEDOT基纖維熱電發(fā)生器。穩(wěn)定性測試表明，織物在經(jīng)過1000次拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和摩擦循環(huán)后，其內(nèi)部電阻和開路電壓的變化均非常小（性能保持率超過95%），展現(xiàn)出作為可穿戴設(shè)備所需的機械耐久性。

圖4：柔性熱電織物的輸出性能。 A) 熱電織物對施加溫差的實時開路電壓響應(yīng)。B) 開路電壓對溫差的依賴性。C) 在10至50 K溫差范圍內(nèi)，產(chǎn)生的電壓隨電流變化的函數(shù)關(guān)系。D) 在10至50 K溫差范圍內(nèi)，熱電織物的輸出功率隨外部負(fù)載電阻變化的函數(shù)關(guān)系。E) 熱電織物在不同溫差下的輸出功率密度或歸一化功率密度。熱電織物在不同外部機械力作用下的開路電壓或內(nèi)部電阻變化： F) 多次拉伸循環(huán)， G) 多次彎曲循環(huán)， H) 多次扭轉(zhuǎn)循環(huán)，和 I) 多次摩擦循環(huán)。

最后，研究團隊展示了該熱電織物在智能體溫監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力（圖5）。系統(tǒng)集成了柔性熱電傳感器陣列、信號處理單元、雙模式警報終端（蜂鳴器和藍(lán)牙模塊）以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。通過在不同身體部位（如額頭、手腕）設(shè)置電壓閾值，系統(tǒng)能在體溫異常時快速觸發(fā)警報（響應(yīng)時間小于5秒），并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至智能手機。模擬測試顯示，該系統(tǒng)能快速、穩(wěn)定地響應(yīng)體溫變化，并利用機器學(xué)習(xí)算法對不同體溫狀態(tài)（正常、低熱、高熱）實現(xiàn)了平均94%的識別準(zhǔn)確率。該系統(tǒng)在50次連續(xù)警報循環(huán)中響應(yīng)時間穩(wěn)定在3-4.3秒，重復(fù)性良好，為個性化醫(yī)療和智能健身監(jiān)測提供了實用化前景。

圖5：基于熱電織物的自供電智能遠(yuǎn)程人體發(fā)熱預(yù)警系統(tǒng)。 A) 用于兒童體溫智能監(jiān)測與預(yù)警的可穿戴熱電織物示意圖。B) 基于熱電織物的系統(tǒng)隨體溫變化產(chǎn)生的實時電壓變化。C) 基于熱電織物的預(yù)警系統(tǒng)對體溫識別結(jié)果的混淆矩陣。D) 溫差、體溫和閾值電壓對溫度警報響應(yīng)時間性能的影響。E) 體溫預(yù)警系統(tǒng)在多次循環(huán)下的響應(yīng)時間變化。F) 人體運動前后預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓變化。

這項研究成功制備出兼具高熱電性能和機械性能的連續(xù)PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合纖維，并通過PU封裝顯著提升了其柔性、耐磨性和長期穩(wěn)定性。所開發(fā)的熱電織物展現(xiàn)出優(yōu)異的輸出性能和機械耐久性，超越了多數(shù)已報道的同類器件。基于此構(gòu)建的智能體溫警報系統(tǒng)具有高靈敏度和良好的重復(fù)性，為可穿戴健康監(jiān)測提供了新的解決方案。展望未來，研究可通過優(yōu)化材料體系、開發(fā)先進(jìn)的纖維架構(gòu)、集成多功能模塊以及推動綠色制造與標(biāo)準(zhǔn)化評估，進(jìn)一步促進(jìn)高性能熱電織物的實際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，在個性化醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)和智能可穿戴領(lǐng)域發(fā)揮更大價值。