近日，香港理工大学陶肖明教授课题组成功开发出一种名为“自供电自冷却织物”（SSF）的新型材料。该织物不仅能够通过定向泵送汗液来实现主动降温，显著提升穿戴舒适度，还能在此过程中增强电能输出，为解决可穿戴设备的供能与舒适性矛盾提供了全新思路。该器件实现了0.56克/小时的水蒸发速率，可使皮肤温度降低6.3摄氏度，同时其直流电流输出密度高达0.40毫安/平方厘米，是未采用液体二极管设计器件的两倍，足以驱动多种实用的可穿戴电子产品。

相关论文以“Sweat-pumping cooling fabric for enhanced power generation and comfort”为题，发表在Nature Communications上。

这种自供电自冷却织物的核心设计在于将一种具有“液体二极管”特性的梯度织物与网格夹层结构的湿电发电机巧妙结合。研究团队通过在尼龙织物的一侧喷涂梯度分布的疏水性二氧化钛纳米颗粒，构建了从疏水侧到亲水侧的渐变润湿通道。这种设计能自发地将皮肤表面的汗液“泵”向织物外侧，并有效阻挡外部水分反渗。实验表明，当水从疏水侧滴加时，能以0.012厘米/秒的速度快速穿透织物，并在亲水侧扩散至7.0平方厘米的大面积，是水滴原始面积的8倍以上，从而将水蒸发速率提升至0.56克/小时，是未改性尼龙织物的两倍。在人体手臂上的实测结果显示，覆盖该织物后，出汗皮肤的表面温度可从33.1℃降至26.8℃，实现了6.3℃的显著降温效果，展现了卓越的湿气和热管理能力。

图1 | SSF的概念与优势。 a, 常规无湿/热管理织物的示意图。 b, 具有湿/热管理和发电功能的SSF示意图，用于自冷却和发电。 c, SSF器件通过人体皮肤上定向汗液蒸发实现自冷却和发电的示意图。 d, 已报道的基于水蒸发发电机与本研究器件的性能比较。BP比定义为液体二极管不同侧面水突破压力的比值。 e, 梯度织物中纤维通道内具有梯度二氧化钛颗粒的定向水传输与蒸发机制示意图。 f, 梯度织物的形貌，以及梯度织物中碳元素和钛元素的分布。 g, 湿电发电机中水带动不同离子迁移实现电荷分离的发电机制分析。 h, 尼龙织物和梯度尼龙织物的蒸发速率与温度差。 i, 采用尼龙织物和梯度尼龙织物制备的SSF器件的开路电压和短路电流。误差线代表标准差。源数据以源数据文件形式提供。 

图2 | 用于除湿和自冷却的具有定向水传输功能的液体二极管。 a, 具有不同亲水性的纤维通道中的水传输。 b, 在喷涂过程中，具有不同二氧化钛含量的梯度织物中亲水侧和疏水侧的突破压力。 c, 通过X射线光电子能谱分析原始尼龙、亲水尼龙和疏水尼龙的元素分布。 d, 在不同施加水高度下，沿厚度方向的水传输速率。从“O”侧和“I”侧传输的水分别定义为正向和反向。 e,f, 通过在亲水侧（e）和疏水侧（f）滴加染色水，观察水在梯度织物中的传输情况。 g, 通过在疏水侧滴水，观察尼龙织物和梯度尼龙织物上的水蒸发情况。 h, 梯度织物中不同水传输方向上的润湿速率。 i, 梯度织物在出汗手臂上进行除湿的照片。 j, 梯度织物在出汗手臂上进行自冷却的光学图像和红外图像。误差线代表标准差。源数据以源数据文件形式提供。 

在发电性能方面，该织物的优势同样显著。其发电原理基于水传输驱动的离子迁移。当湿电发电机的功能层（由聚乙烯醇和氯化锂组成）吸收液态水后，水分子会携带锂离子和氯离子以不同速率迁移，形成电荷分离。得益于液体二极管带来的快速定向水传输，功能层内部的水梯度得以维持，从而持续驱动离子迁移。结果显示，采用梯度尼龙织物的SSF器件，其短路电流密度从0.19毫安/平方厘米提升至0.40毫安/平方厘米。研究进一步揭示，氯离子的扩散系数（2.54×10⁻⁵平方厘米/秒）远高于锂离子（0.38×10⁻⁵平方厘米/秒），且沿聚合物链迁移的能垒更低（氯离子0.18电子伏特 vs. 锂离子0.40电子伏特），这使得氯离子能够更快地迁移至器件顶部，形成稳定的内建电场。在长达一周的持续供水测试中，该器件表现出了优异的稳定性。

图3 | SSF的发电性能。 a, 功能层中水传输驱动离子迁移的示意图。 b, 采用尼龙织物和梯度尼龙织物制备的SSF器件的电流输出。在器件底部滴加0.2克水。 c, SSF器件底部接触液态水持续一周的电压/电流保持率。SSF底部固定在水箱的水面上。 d, 功能层中不同LiCl与PVA比例的SSF器件的电输出。 e, 不同LiCl与PVA比例功能层的电化学阻抗谱。 f, SSF器件使用不同水源时的电流输出。 g, 通过开尔文探针力显微镜测试，不同润湿时间下功能层顶部的电位变化。 h, 分子动力学模拟在0纳秒和10纳秒时的三维快照。 i, 锂离子和氯离子迁移的均方位移与时间的关系。 j, 在0纳秒和10纳秒时功能层中的锂离子和氯离子。误差线代表标准差。源数据以源数据文件形式提供。 

为了在降温与发电性能之间取得最佳平衡，研究团队对器件的网格结构进行了精心设计。他们发现，通过调节网格的孔隙率，可以同时影响水蒸发速率和有效电极面积。较大的孔隙率虽然有利于水分蒸发和降温，但会减少电流收集面积；而孔隙率过小则不利于水传输。因此，电流输出和释放的电荷量随孔隙率增加呈现先增后减的趋势，存在一个最优值。此外，该策略具有良好的普适性，可应用于多种常见织物，其中尼龙因其较低的回潮率和较高的蒸发速率而表现最佳。器件的输出性能还随环境温度升高、相对湿度适宜以及汗液中盐分的增加而提升，这归因于更快的蒸发速率和更多的电荷载体。在机械稳定性方面，该器件在经过10000次拉伸循环后，其电性能和降温效果均无明显衰减，显示出良好的耐用性。

图4 | SSF的热学与电学性能。 a, SSF在湿润皮肤上的蒸发速率和温度。 b, SSF在湿润皮肤上的电流输出和释放的电荷量。 c, 通过在梯度织物的不同位置滴水，SSF的电输出和温度。 d, 采用不同织物制备的SSF的温度和电流输出。 e, SSF暴露于不同水量下的电荷量和温度。 f, SSF在不同环境温度下运行的电输出。 g, SSF在不同拉伸循环次数后的温度和电流输出。每个循环的拉伸应变为30%。 h, SSF在周期性滴水条件下的累计释放电荷和电流输出。 i, 通过将SSF连接到不同电阻的负载，其输出功率和电能。误差线代表标准差。源数据以源数据文件形式提供。 

基于其优异的综合性能，研究团队展示了该织物的多种实用化应用场景。他们成功将SSF器件印制在不同类型的衣物上，并在一块14.5×14.5平方厘米的大面积器件上验证了其均匀的降温效果。两个串联的器件单元能够直接驱动一个柔性LED灯带，实现可穿戴的自供电显示。更有趣的是，研究团队利用SSF电流输出与含水量之间的特定关系，开发了一种用于婴儿或失能人士的智能尿布监测系统。该系统可将尿湿程度分为“舒适”、“低”、“中”、“高”、“急需”五个等级，并通过无线传感器将信号发送至监测器，实现及时提醒。此外，SSF收集的电能还可储存于电池中，用于驱动无线传感器，实现对皮肤温度和心率等生理信号的实时监测。

图5 | 可穿戴电子系统的应用展示。 a, 印制在不同衣物上的SSF照片。 b, 14.5×14.5平方厘米的SSF在出汗后的照片和红外图像。红外图像在运动出汗后记录。 c, 14.5×14.5平方厘米的SSF在出汗和未出汗情况下的温度曲线。 d, 自供电可穿戴显示系统，由两个器件单元和一个LED灯带分别作为电源和显示器。 e, 用于检测尿液的一次性的可穿戴系统示意图。 f, 由SSF、尿布、监测器和无线电流传感器组成的尿液检测系统照片。 g, 通过SSF电流输出与紧急程度的关系进行健康护理评估。 h, 由SSF、监测器、无线传感器和SSF充电的电池组成的身体信号检测系统照片。 i, 生命体征监测系统的操作示意图。 j, 来自监测系统的皮肤温度和心率等身体信号。源数据以源数据文件形式提供。

综上所述，这项研究成功开发了一种集自冷却与自供电功能于一体的新型织物。其核心在于利用定向水传输机制，同步解决了可穿戴供电器件在舒适性与输出性能方面的两大核心难题。该器件不仅实现了高效的湿气和热管理，显著提升了穿戴舒适度，还通过增强离子迁移大幅提高了电能输出，为可穿戴电子系统提供了可持续的能源方案。这项工作为设计下一代高性能、高舒适度的可穿戴能源器件开辟了新路径，尽管未来仍需解决器件的可清洗性和电源管理系统集成等问题，但其在实际应用中展现出的巨大潜力，使其在健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。