衣服也能發(fā)電？ATU研究人員FFF 3D打印面料讓能源自給更近一步

2025年8月19日，南極熊獲悉，愛爾蘭大西洋理工大學(xué)(ATU)的研究人員成功開發(fā)出一種基于3D打印的新型能量收集紡織品。該創(chuàng)新工藝為智能服飾、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)裝備等領(lǐng)域的能量自供型可穿戴設(shè)備帶來了新的解決方案。

△相關(guān)成果已發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Nano Energy》上，研究題目為“直接在可拉伸導(dǎo)電織物上3D打印摩擦活性聚合物層，用于高性能T-TENGs�！保▊魉烷T）

開發(fā)低成本可穿戴能源系統(tǒng)

項(xiàng)目由Aswathy Babu博士牽頭，格拉斯哥大學(xué)、赫瑞瓦特大學(xué)、廷德爾國家研究所以及都柏林大學(xué)學(xué)院I-Form的研究人員參與合作。此項(xiàng)目是由愛爾蘭研究中心和英國工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）資助的150萬歐元項(xiàng)目的一部分，旨在開發(fā)可穿戴系統(tǒng)，捕捉人體運(yùn)動(dòng)并將它作為可再生能源。

這項(xiàng)研究的核心是基于紡織品的摩擦納米發(fā)電機(jī)(T-TENG)，它通過與兩個(gè)表面接觸和分離時(shí)產(chǎn)生靜電相同的效應(yīng)來收集能量。為了制造它們，研究團(tuán)隊(duì)采用熔絲制造技術(shù)(FFF)，將聚丙烯(PP)直接打印到導(dǎo)電織物上，并使用了SOVOL V01、Ultimaker 2+和Mosaic Element HT等標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)。

選擇聚丙烯(PP)作為材料，是因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、柔韌、化學(xué)穩(wěn)定性高且防水。當(dāng)熔融狀態(tài)的聚丙烯被擠壓到鍍銀聚酰胺織物上時(shí)，它會(huì)滲透到織物結(jié)構(gòu)中，并在冷卻時(shí)牢固粘合，無需使用膠水即可產(chǎn)生強(qiáng)大的粘合力。

△厚度分別為(a)-0.1毫米、(b)-0.3毫米、(c)-0.35毫米的單層PP以及厚度分別為(d)-0.1毫米、(e)-0.2毫米、(f)-0.35毫米的雙層PP在導(dǎo)電織物上3D打印的SEM圖像。(g) SL-0.1毫米(h) SL-0.3 毫米和(i) DL-0.3毫米的光學(xué)圖像

3D打印柔性織物摩擦納米發(fā)電機(jī)

測(cè)試結(jié)果表明，打印層與傳統(tǒng)方法相比，形成了更強(qiáng)的結(jié)合，并產(chǎn)生了更高的電力輸出。當(dāng)與涂有EcoFlex涂層的導(dǎo)電織物結(jié)合使用時(shí)，這些紡織品的開路電壓達(dá)到193.3伏，峰值電流達(dá)到17微安，功率密度超過每平方米2,000毫瓦。這證明了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的潛力，因?yàn)檫@些設(shè)備能夠點(diǎn)亮超過80個(gè)LED燈，并為運(yùn)行小型電子設(shè)備的電容器充電。

團(tuán)隊(duì)還對(duì)紡織品在重復(fù)使用下的性能進(jìn)行了仔細(xì)的評(píng)估。即使在經(jīng)過2萬次接觸和分離循環(huán)后，這些紡織品仍然能夠保持穩(wěn)定的輸出，并且在用水和洗滌劑清洗后仍能繼續(xù)工作。這表明它們可以被整合到日常穿著的服裝中。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究了設(shè)計(jì)選擇如何影響效率。結(jié)果表明，在光滑表面接觸和機(jī)械柔韌性之間取得平衡的單層PP層（厚度為0.3毫米）效率最高。更簡單的線狀圖案比復(fù)雜的網(wǎng)格或螺旋結(jié)構(gòu)更有效，因?yàn)楹笳邥?huì)引入粗糙的紋理，從而降低效率。雙層結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了較差的結(jié)果，因?yàn)槿毕莺筒黄教沟谋砻嫦拗屏穗姾傻霓D(zhuǎn)移。

△讓日常服飾實(shí)現(xiàn)自供電的研發(fā)人員

從能量收集到健康監(jiān)測(cè)

在尼龍和聚酯等非導(dǎo)電商用織物上進(jìn)行的試驗(yàn)產(chǎn)生了較低的電壓（僅幾伏），這是因?yàn)榻^緣紡織品限制了電荷轉(zhuǎn)移。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了通過調(diào)整厚度和表面設(shè)計(jì)來顯著提升性能的重要性。

除了發(fā)電，研究人員還展示了這些紡織品作為傳感器的潛力。這些織物集成了支持Wi-Fi的微控制器，能夠檢測(cè)人體觸覺的變化，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。該系統(tǒng)能夠區(qū)分輕觸和重觸，為可穿戴健康監(jiān)測(cè)、交互式設(shè)備和環(huán)境感知等應(yīng)用開辟了新的可能性。

對(duì)研究人員而言，直接3D打印提供了一種簡單且可擴(kuò)展的方法，將聚合物與織物結(jié)合，避免了昂貴的涂層步驟，并能使用標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)和材料實(shí)現(xiàn)自供電紡織品的大規(guī)模生產(chǎn)。

總的來說，這項(xiàng)創(chuàng)新研究通過進(jìn)一步的測(cè)試和規(guī)模擴(kuò)大，將使得日常服裝不僅能作為服飾穿著，還能成為便攜電源。該研究展示了紡織品與3D打印技術(shù)的融合如何推動(dòng)可穿戴技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源自給自足的發(fā)展目標(biāo)。