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基于“人体耦合”能量交互机制实现可视化无线传感纤维 |
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2024年9月25日，东华大学王宏志教授和侯成义研究员团队在matter期刊发表了题为“body-coupled luminescent fibers enable wireless visual sensing of contacting media”的最新论文。该团队提出基于“人体耦合”能量交互机制的可视化无线传感纤维（wise-fiber），利用纤维表面微环境的电学参数变化，在单根纤维上实现了多位点的环境刺激发光现象，并展示了这种wise-fiber在触觉、湿度和溶剂传感等方面的应用。论文通讯作者是王宏志教授和侯成义研究员，第一作者是杨伟峰博士。
将纤维电子器件无缝地集成到日常纺织品中，在可穿戴监测和人机交互等领域具有重要应用价值。目前，大多数纤维传感器的研发重点在于提升电学接口的精度与灵敏度，但这些模拟信号往往难以直接转化为肉眼可识别的信息。光学信号，作为电学信号的有力补充，能够提供实时且直观的视觉反馈。若能将基于发光的可视化传感功能整合至纤维电子器件中，有望拓宽智能纺织品的应用领域。
在前期的研究中，东华大学先进功能材料课题组提出了一种基于“人体耦合”的无线能量交互机制，在单根纤维上产生了无线能源驱动的发光/发电现象（yang et al., science 384,74-81 (2024)）。该机制利用人体将环境电磁能量耦合到电子纤维中，无需芯片和电池的辅助即可实现多种智能交互功能，大大简化了可穿戴电子系统的架构。但是在该机制下，如何利用纤维与接触媒介之间的相互作用实现可视化传感仍需要系统研究。
近期，该团队进一步提出基于“人体耦合”能量交互机制的可视化无线传感纤维（wise-fiber），利用纤维表面微环境的电学参数变化，在单根纤维上实现了多位点的环境刺激发光现象，并展示了这种wise-fiber在触觉、湿度和溶剂传感等方面的应用。
作者系统研究了纤维界面阻抗对人体耦合环境电磁能量的影响，探索了纤维表面微环境电学参数（介电常数和电导率）与发光亮度的对应关系，从而实现了基于人体耦合的环境参数的可视化传感。通过引入湿气，作者直观展示了wise-fiber亮度随湿度变化的过程。此外，作者还利用wise-fiber作为可视化探针，无需额外电子元件即可实现对不同溶剂极性的无线可视化检测。
图1：(a) 环境电磁能、wise-fiber和人体相互作用示意图。(b) wise-fiber的横截面结构及其在纺织品上的多节点传感。(c) 电磁场下wise-fiber内电场分布的模拟。(d) wise-fiber中zns：cu2 电致发光 (el) 材料的机理图。(e) 环境电磁能、纤维、传感界面、人体的等效电路图。(f) 放置在手上的wise-fiber可实现多节点视觉触摸感应。
图2：(a、b) wise-fiber的可视化湿度传感机理图和演示照片。(c) wise-fiber作为发光探针用于溶剂极性的可视化检测。(d) 不同极性溶剂环境中wise-fiber周围的电场分布。(e) 不同溶剂的极性（偶极矩）及其激发的纤维发光强度。(f) 不同极性溶剂在环境电磁场下表现出不同的极化程度。
（来源：科学网）
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