人类从未停止对海洋的探索。目前，科研、军事和娱乐等多种领域对水下活动装备具有广泛需求。随着防水型电子器件的快速发展，用于个人身体监测及防护的水下穿戴系统引起了研究者的广泛兴趣。对个人而言，水下作业通常伴随着大幅度肢体运动，且长时间暴露于水下低温环境可能诱发的失温症状时刻威胁生命安全。因此，亟需开发用于水下的、适应大形变监测的集成式多功能人体防护可穿戴设备。

  基于可拉伸基底的柔性电子器件适用于形变范围较大的智能可穿戴设备。这些柔性电子器件往往通过高模量的导电功能组分（金属基纳米粒子，碳基超材料，导电聚合物等）与低模量的基体（聚氨酯、硅橡胶、水凝胶）组装得到，这种模量差异会导致电子器件在大形变下会产生不可逆裂隙，从而限制传感性能，同时也会造成接触电阻和电路永久性失效。镓基液态金属是一种在柔性电子领域逐渐兴起的导电材料，可在保持金属级电导率的同时保持流动性。这种独特的低模量流体特性可以很好地协同弹性材料的同步变形，使其成为可用于大形变柔性电子器件的理想材料。相比平面状液态金属基柔性电子器件，线型的中空纤维液态金属器件更适用于监测轴向拉伸和径向挤压行为，其在受力变形和回复过程中的可逆行为对可调谐传感性能来说至关重要，目前却少有提及，特别是其内部构效关系的研究仍是一片空白。

  鉴于此，青岛大学曲丽君、田明伟教授团队与深圳大学张学记教授团队合作，采用液态金属和聚氨酯这种“双低模”组合体系制备了一种可逆超拉伸导电纤维（LM@PHF），这种纤维具有典型的芯—鞘结构，得益于聚氨酯的本征拒水性，内部液态金属芯层被很好的封装，可避免水下使用造成的短路现象。利用同轴湿法纺丝工艺理论体系对芯—鞘流道的纺丝参数进行调控，其内部结构与力学性能、电学性能、热学性能的构效关系被进一步研究。对照条件下，内径越大的纤维断裂伸长越大，轴向传感灵敏度越低，电热性能越好；极限形变下，径向形变较轴向形变更易用于传感监测，且导电通路在断路后因液态金属重新团聚具有良好的可逆性，这为纤维性能精准调控提供了实验基础。纤维通过调控可分别实现导电（~0.05 Ω·cm^-1）、拉伸传感（~600%、30 ms）、压力传感（~30 MPa、30 ms）和电热（1.5 W, ~50 °C）等功能。

  为展现该纤维的构型灵活性及适应性，该工作分别利用机织、针织、编织等常规纺织工艺，根据功能需求制备了不同结构的电子织物，最终组装成一套水下智能手套系统，利用该纤维的防水性、大形变下的传感性、独特的可恢复性及低功耗电热性能集成了运动感知、危险预警和热学防护的等多种功能，充分展示了其在水下场景的潜力。这一研究成果已经在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子IF 13）以“Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics”为题公开发表 （DOI: 10.1016/j.cej.2022.135382），博士研究生齐祥君、赵洪涛为第一作者，张学记教授、田明伟教授、曲丽君教授为通讯作者。

图1 可逆性液态金属电子织物的制备及应用。

【本文要点】

  要点一：制备了结构可控的LM@PHF芯—鞘型纤维

图2 纤维成型机理及基本性能表征。

  要点二：研究LM@PHF纤维内部结构与性能间构效关系

图3 不同内部结构下LM@PHF纤维轴向拉伸和径向挤压下的传感性能对比。

  要点三：研究极限形变下LM@PHF的导电通路可逆性

图4 极限形变下的可逆导电及柔性开关应用。

  要点四：研究不同内部结构对电热性能的影响

  内径越大，纤维导电性能越好，相应地电热性能越好，可实现低功率水下电加热。

图5 不同内部结构下LM@PHF纤维电热性能及柔性电加热器应用。

  要点五：通过多种纺织工艺展现构型灵活性及适应性，用于水下应用

图6 集成式手套系统构筑以及水下应用。

  【文章链接】

  Underwater Sensing and Warming E-textiles with Reversible Liquid Metal Electronics

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135382

【通讯作者简介】

  曲丽君 教授

  博士生导师，山东省有突出贡献的中青年专家，青岛市拔尖人才。现任青岛大学智能可穿戴技术研究中心执行主任，中国石墨烯产业技术创新战略联盟、中国石墨烯改性纤维及应用开发产业发展联盟理事，多项SCI期刊审稿人。主持国家973计划前期研究专项1项、国家自然科学基金面上项目2项、山东省重点研发计划重大科技创新工程项目1项、山东省重点研发项目（公益类）1项等课题20余项。在ASC Nano、Nano Letters、Nano Energy等期刊发表论文100余篇，申报国家发明专利40余项，其中已授权25项。曾获山东省科技进步二等奖2项、三等奖2项，香港桑麻基金纺织科技二等奖1项，青岛市科技进步一等奖1项、技术发明一等奖1项等10余项奖项。研究方向：新型天然植物纤维制取与应用研究；石墨烯改性纤维与功能纺织品研究；智能可穿戴技术与产品研发

  田明伟 教授

  博士生导师，现为青岛大学纺织服装学院副院长、山东省高等学校“青创科技计划”创新团队带头人，获中国纺织工业联合会教师奖、青岛市青年科技奖、山东省纺织服装行业杰出贡献人物。兼任教育部纺织教指委纤维材料分委员会委员兼副秘书长、中国纺织机械协会理事、山东省纺织工程学会理事、《纺织高校基础科学学报》青年编委、Advanced Fiber Materials青年编委、中国纺织工程学会高级会员、国家自然科学基金函评专家、16个SCI期刊特约审稿人。以第一作者/通讯作者在ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy、Carbon等杂志发表高水平论文63篇，中科院大类一区14篇，相关成果引用次数1223次，单篇论文最高被引167次，H指数19，其中入选ESI高被引论文2篇。申请国家发明专利20项，已授权11项。受邀在中国纺织学术年会、第91届世界纺织大会等会议汇报21次。获山东省科技进步二等奖、中国纺织工业联合会科技进步二等奖、中国纺织工业联合会教学成果三等奖、青岛市技术发明三等奖，指导山东省优秀硕士研究生论文1篇。研究方向：功能纤维及智能电子纺织品；智能可穿戴技术与智能纺织品；纤维及其集合体成形新技术与新理论。

  张学记 教授

  博士生导师，现任深圳大学党委常委，副校长，北京科技大学学术委员会副主任，北京精准医疗与健康研究院执行院长，中国生物检测监测产业技术创新战略联盟理事长、美国医学与生物工程院院士，英国皇家化学学会会士，俄罗斯工程院外籍院士、国家特聘教授、中组部评审巡察小组组长。近年来，主持或参与美国NIH、NSF、NASA、国防部、北约、能源部和欧洲宇航局、国家重大、国家重点研发计划、国家重大仪器研发专项以及中国自然科学基金等研究课题多项。已在国际一流刊物Chemical Reviews、JACS、Advanced Materials、ACS Nano、Chem. Sci、Anal. Chem等发表论文400余篇，引用12000多次，专利80项。在Elsevier、Springer、科学出版社出版中英文专著7部。已有30余项技术实现产业化，在全球100多个国家得到广泛应用。多次担任国际学术会议学术委员会委员、大会主席、分会主席，在国际学术会议作大会报告或专题学术报告100多次。2012年经中央提名(全国2名)，2015年当选科学中国人年度人物当选中共十八大党代表，2016年获中国杰出工程师奖，2017年获首届全国创新争先奖，获首都劳动奖章、北京优秀共产党员，2018年获国家教育部自然科学奖。

【课题组介绍】

  青岛大学智能可穿戴技术研究中心自2018年成立至今，在智能纺织品与可穿戴技术领域开展系统研究，取得了一系列显著成果，在Science、Advanced Materials、Nano Energy、Nano Letters、ACS Nano、Chemical Engineering Journal等国际知名期刊发表论文60余篇。