采用多孔灯心草纤维制备的用于生物机械能收集的高性能柔性磁性织物

宫钧耀 ,  张春华 ,  夏良君 ,  周赵子轩 ,  龙玮皓 ,  付专 ,  周思婕 ,  纪华 ,  杜立新 ,  徐卫林

工程（英文） ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3) : 282 -292.

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工程（英文） ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3) : 282 -292. DOI: 10.1016/j.eng.2024.06.002
研究论文

采用多孔灯心草纤维制备的用于生物机械能收集的高性能柔性磁性织物

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High-Performance Flexible Magnetic Textile Fabricated Using Porous Juncus effusus Fiber for Biomechanical Energy Harvesting

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摘要

人在运动时能够产生大量可持续的机械能，合理利用这些能量将是解决传统可穿戴设备能量不可持续问题的理想方法。本研究充分利用天然灯心草（JE）纤维内部的三维多孔结构，通过负载聚氨酯和高性能磁性粒子制备了具有良好磁性的柔性磁性灯心草（M-JE）纤维。将M-JE纤维织造成织物，可以通过电磁感应实现人体运动机械能的收集。将M-JE织物和感应线圈分别固定在人体的手腕和腰部，可以收集摆臂时产生的机械能。当志愿者摆臂时，感应线圈能够产生稳定的交流电压（2 V）和电流（3 mA）。本研究提出的M-JE织物展现出良好的能量收集潜能，能够为商业电容快速充电，并为小型电子设备供电。这为天然植物纤维能量收集织物的制备及应用提供了新的思路。

Abstract

Mechanical energy produced by human motion is ubiquitous, continuous, and usually not utilized, making it an attractive target for sustainable electricity-harvesting applications. In this study, flexible magnetic-Juncus effusus (M-JE) fibers were prepared from plant-extracted three-dimensional porous Juncus effusus (JE) fibers decorated with polyurethane and magnetic particles. The M-JE fibers were woven into fabrics and used for mechanical energy harvesting through electromagnetic induction. The M-JE fabric and induction coil, attached to the human wrist and waist, yielded continuous and stable voltage (2 V) and current (3 mA) during swinging. The proposed M-JE fabric energy harvester exhibited good energy harvesting potential and was capable of quickly charging commercial capacitors to power small electronic devices. The proposed M-JE fabric exhibited good mechanical energy harvesting performance, paving the way for the use of natural plant fibers in energy-harvesting fabrics.

关键词

灯心草 / 磁性织物 / 电磁感应 / 能量收集 / 机械-电能转换

Key words

Juncus effusus / Magnetic fabrics / Electromagnetic induction / Energy harvest / Mechanical–electrical energy conversion

引用本文

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宫钧耀,张春华,夏良君,周赵子轩,龙玮皓,付专,周思婕,纪华,杜立新,徐卫林. 采用多孔灯心草纤维制备的用于生物机械能收集的高性能柔性磁性织物[J]. 工程（英文）, 2025, 46(3): 282-292 DOI:10.1016/j.eng.2024.06.002

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1 引言

在过去十几年中，物联网（IoT）技术发展迅速，影响着人类生活的方方面面[1‒2]。但随着技术的发展，人们对可穿戴设备便携性、舒适性的需求不断增加[3‒5]。可穿戴电子产品已被用于健康监测、医疗保健、运动监测、传感器和电子皮肤等领域，极大地丰富了人类的生活[3,6‒7]。

电池等储能设备仍然是可穿戴电子产品的主要组件。然而，便携式储能器件的发展受到诸多因素的限制：坚硬且体积庞大；由对人类和环境有害的有毒化学物质生产；寿命有限以及需要频繁补能等，导致现阶段大多数可穿戴设备难以在沙漠、山区和岛屿等偏远地区持续使用[8‒9]。因此，绿色、持续且便捷的能量收集器件是解决可穿戴电子产品可持续使用问题的理想方案[10]。环境中存在大量绿色可再生能源，合理利用这些能源有助于解决可穿戴电子产品的能源供应问题[11‒13]。现阶段，许多学者致力于能量收集研究，并针对环境能量的提取提出了出色的解决方案，如热电[14]、光电[15]、压电[16‒17]、摩擦纳米发电机[18‒19]以及电磁感应技术[20‒21]。电磁感应由法拉第于1831年发现，并很快引发了第二次工业革命。现阶段，它仍然是最重要的电能来源之一[22‒23]。磁电发电技术具有稳定的电能输出性能和大电流输出能力等优势[21‒22,24]。尽管现阶段基于电磁感应的发电机应用广泛，但其核心组件磁性体通常体积庞大且坚硬，严重限制了它们在柔性电子产品中的应用[25‒27]。软化磁体并提高其柔韧性仍然是限制电磁感应能量收集器件发展的主要问题。尽管市面上有商用磁性橡胶产品以及其他磁性纤维或薄膜产品，但它们通常表面磁性较低，这限制了它们在能量收集方面的应用[22,28]。

纺织品是人类生活中不可或缺的物品，具有良好的柔性和舒适性，广泛应用于人类生产中[29‒30]。纤维是纺织品的基本构成单元，利用现代纺织技术将功能性物质与织物相结合，是制备可穿戴能量收集器件最具前景的方法之一[9,31]。目前，制备功能纤维的主要方法包括湿法纺丝[32]、熔融纺丝[33]、浸涂法[34]和原位合成法[35]。研究人员通过这些方法在环境能量收集领域开展了大量研究。然而，这些方法通常存在成本高、制备过程复杂以及功能物质负载量低等问题[28,32,36]。聚氨酯（PU）是一种线性多嵌段共聚物，由硬段、软段和扩链剂（二苯基甲烷二异氰酸酯、聚四亚甲基二醇和1,4-丁二醇）组成。这种独特的结构使其具有高弹性、韧性、生物相容性和可加工性。自1937年拜耳及其团队发明PU以来，PU凭借其结构和性能的多样性，已广泛应用在建筑、汽车、电子、纺织、涂料和生物医学等众多领域[28]。功能性聚氨酯涂层纺织品是指通过在纤维纺织品表面均匀覆盖PU，或通过共混不同功能性填料来制备具有不同功能的PU涂层织物。在以往的研究[37‒41]中，PU被用于固定炭黑、碳纳米管/二氧化硅、石墨烯、MXene以及氧化锌/银，以改善材料的电磁屏蔽、形状记忆、导热、防污和导电等性能，并得到了研究人员的广泛认可。PU被视为一种先进的功能性材料，是解决当今诸多挑战的方案[42]。在我们之前的研究[43‒45]中，采用了通过涂覆高分子聚合物（聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯吡咯烷酮）来对灯心草（JE）纤维进行功能化，使JE纤维在印染废水净化、油水分离和烟雾过滤等领域得到了应用。JE纤维是一种典型的木质纤维素纤维，其内部具有相互连接的三维网状结构[43‒44]。与天然气凝胶相似，JE纤维具有高孔隙率（约97.6%）和极低的密度（约6.3 mg∙cm-3），适合作为轻质基材[43]。此外，JE纤维内部的多孔结构使其能够大量负载磁性颗粒。在以往关于电磁感应能量收集装置的研究主要可分为三类，即纤维形式、膜形式和织物形式[22,46]。纤维形式和织物形式的电磁感应能量收集器件通常需要采用纺丝技术连续制备，而精密的纺丝液推送泵系统通常价格昂贵。膜形式的电磁感应能量收集器件则无法保证长期穿戴时的基本透气性和舒适性。通过浸涂法制备磁性纤维或纺织品等功能器件无需额外设备，具有操作简单、成本低廉的优点。JE纤维内部具有极高孔隙率的丰富网状结构，这为负载功能物质提供了天然优势，使其成为制备功能纤维的优良基材[44‒45,47]。因此，以JE纤维为轻质载体，并通过浸涂法即可快速制备磁性纤维。此外，纤维的柔性使其能够通过编织形成织物，从而具备透气性和尺寸扩展性，具有更好的应用潜力。

本研究充分利用JE纤维丰富的网络结构，并在其中负载了钕铁硼（NdFeB）磁性颗粒，制备了磁性灯心草（M-JE）纤维及其织物。M-JE织物与感应线圈通过电磁感应来收集人体摆臂产生的机械能。本文探究了不同工艺，如PU浓度、磁性粒子含量、JE的预处理以及真空处理，对制备磁性纤维性能的影响。其中采用25 wt%的PU溶液，磁性粒子固含量为80%，并在真空处理条件下制备的M-JE纤维具有最佳磁性。我们还通过COMSOL软件进行数值模拟，明晰了M-JE织物的磁场分布以及其能量收集机制。本文还系统研究了不同参数变量对所制备M-JE织物能量收集特性的影响。当M-JE织物的层数为5层、与感应线圈间距为0 mm、感应线圈匝数为2000匝、摆动速度为1.65 m∙s-1时，M-JE织物具有最佳的能量收集性能，其输出电压峰值可达到3 V，电流峰值可达到15 mA。将M-JE织物和感应线圈贴附在志愿者的手腕和腰部，可以用来收集志愿者摆臂产生的机械能。当志愿者快速摆臂时，感应线圈的输出电压峰值达到2 V，电流峰值为3 mA，这足以驱动典型的小型电子设备[1]。综上所述，所制备的M-JE纤维和织物能够有效实现生物机械能转换，具有成本可控、可大规模生产、电流较大的优点，为柔性能量收集织物的发展做出了贡献。

2 材料与方法

2.1 材料

JE纤维购自江西灯心草有限公司。聚氨酯（9370AU）由德国拜耳公司提供。钕铁硼磁粉购自新诺德有限公司（广州）。涤纶纱线购自当地零售店。N,N-二甲基甲酰胺购自国药集团化学试剂有限公司（上海）。实验全程使用去离子水。所有材料和试剂均未经进一步纯化直接使用。

2.2 磁电能量收集织物的制备

M-JE的制备包括两个阶段，包括填充磁性PU分散液和凝固浴。在制备前，用表面活性剂处理JE纤维以去除表面的鳞片状结构，并制备PU溶液。首先将钕铁硼颗粒与聚氨酯溶液混合，得到钕铁硼磁性分散液，用于制备固含量不同（20%、40%、60%和80%）的M-JE纤维。将磁性溶液和JE纤维倒入表面皿中并均匀混合，并将表面皿放入真空烘箱脱气5 min，以确保磁性分散液充分吸附在到JE纤维中。真空处理后，将充分吸附磁性分散液的JE纤维放入水中进行凝固浴。随后在60 ℃下干燥至重量稳定，得到M-JE纤维。为更好地在实际生活中应用，采用平纹组织将M-JE纤维制成织物。

2.3 测试和分析

经过镀金处理后，利用扫描电子显微镜（SEM；德国蔡司公司，GeminiSEM 300）和能量色散X射线光谱仪（EDS）观察并测试JE纤维和M-JE纤维的微观结构及元素分布。通过光学3D显微镜（日本旭光学公司，RH-2000）拍摄M-JE纤维的显微镜图像。使用商用充磁机（海特利公司；M20-2040）对磁性M-JE织物进行磁化。利用数字高斯计（国通测公司，TM5100）测量M-JE和M-JE织物表面的磁场强度。通过物理性能测量系统（PPMS；美国量子设计公司，PPMS-9T）测试不同M-JE纤维的磁滞回线。通过静电计（美国吉时利公司，6514）、数字源表（美国吉时利公司，2450）以及高速数据采集卡（美国国家仪器公司，NI-6210）测量M-JE和感应线圈产生的感应电压和电流信号。M-JE织物由商用半自动织机（托尼雅公司，SAG598）织造。M-JE织物与感应线圈间的往复相对运动由直线往复横向电机（瑞士林德电机公司，P01-37X120-C/C1100）驱动。使用商用洗衣机（瑞典伊莱克斯公司，FOM71）对M-JE织物进行耐洗性测试。通过串联不同阻值的电阻来评估磁性织物的阻抗负载能力。利用万能材料试验机（美国英斯特朗公司，Instron 5967）测试纤维的机械性能。通过COMSOL Multiphysics分析软件（瑞典COMSOL公司，COMSOL Multiphysics 6.0）进行数值模拟计算。

3 结果与讨论

3.1 M-JE的制备和测试

人体及其周围环境存在着丰富的机械能、热能等可再生能源[8]。其中，人体运动产生的功率可达60 W [48]。因此，合理利用人体能量将是解决可穿戴电子设备可持续使用问题的良好方案。本文制备了一种具有高磁性和良好机械性能的M-JE纤维。通过M-JE纤维制成的磁性织物能够收集人体运动产生的机械能，并驱动发光二极管（LED）、石英表和计算器等小型电子设备正常使用[图1（a）]。图1（b）展示了M-JE纤维以及由M-JE纤维制备的磁性织物的制备流程。M-JE纤维及其织物的主要制备过程如下：①将钕铁硼磁性颗粒添加到PU溶液中并搅拌均匀；②将经过亲水处理的JE纤维浸入磁性PU溶液中，并通过真空处理使其充分吸收；③将填充有磁性溶液的JE纤维置于水中进行凝固浴处理；④在商用SAG598半自动织机上，将M-JE纤维织造成平纹织物。通过SEM观察了JE和M-JE纤维的横截面微观结构。SEM图像表明，原始的JE纤维具有均匀的三维分级孔隙结构，其表面光滑，内部骨架孔径约为45 μm [图1（c）]。JE纤维内部的网状结构使其富含孔隙，能够容纳大量的填充物。图1（d）中的SEM图像显示，钕铁硼磁性颗粒分布在JE纤维的内部网络和骨架上。在高倍SEM图像中可以发现，钕铁硼磁性颗粒被PU包裹，并附着在JE纤维的骨架上。此外，利用EDS测量附着在M-JE纤维上的钕铁硼磁性颗粒的元素分布，如图S1所示，可以观察到铁和钕元素密集分布在磁性颗粒上。在实际应用中，M-JE纤维的机械性能非常重要。本研究利用万能材料试验机测试了M-JE纤维的机械性能。首先，比较了JE和M-JE纤维的应力-应变曲线[附录A图S2（a）]。JE纤维的拉伸强度为0.12 MPa，应变仅为9.6%。相比之下，M-JE纤维的拉伸强度提高了9倍（达到1.13 MPa），应变提高了51倍（达到490%），这归因于PU优异的机械性能。此外，通过在不同应变下对纤维进行50次反复拉伸和释放来测试其拉伸循环性能。如图S2（b）所示，M-JE纤维在10%~50%应变下经过50次循环后，拉伸强度保持稳定，证明其具有可靠的机械性能。我们还研究了M-JE纤维的热分解性能，如图S3所示，M-JE纤维在约200 ℃时开始分解，满足其在日常生活中的正常使用。

在磁化过程中，负载在JE纤维骨架表面的钕铁硼颗粒中的磁偶极子在强磁脉冲作用下重新规则排列，赋予M-JE纤维良好的磁性[49]。由于M-JE纤维的磁性源于所掺入的钕铁硼磁性颗粒中磁偶极子的规则排列，因此M-JE纤维的磁场强度由钕铁硼颗粒含量决定[21]。在本研究中，钕铁硼磁性颗粒被均匀分散在PU溶液中，因此，PU溶液的浓度、M-JE纤维中钕铁硼磁性颗粒的固含量以及不同的制备方法都会影响制备的M-JE纤维中钕铁硼磁性颗粒的含量。我们研究了PU溶液浓度、亲水处理、真空处理以及分散液中磁性颗粒固含量对M-JE的磁性的影响。PU浓度对所制备的M-JE纤维磁性能的影响主要源于配置溶液时所使用的磁性颗粒含量。为了更准确地确定PU浓度的影响，本研究在钕铁硼磁性颗粒固含量为80%的情况下，配置了不同PU浓度的钕铁硼磁性颗粒分散体。然而，PU的浓度较高时，其流动性会降低，难以很好地分散在JE纤维内。为了直观展示PU浓度对磁性分散液流动性变化的影响，我们将不同浓度PU溶液制备的磁性分散液注入样品瓶中。如图S4所示，倾斜样品瓶10 s后，PU浓度为15%、20%和25%的磁性溶液几乎流到底部，而PU含量为30%的磁性溶液仅发生一些变形。图S5（a）展示了使用不同浓度PU溶液配制的磁性分散液制备的M-JE纤维的横截面照片。如图S5（a）所示，由于磁性颗粒含量不足，使用15%和20% PU溶液制备的M-JE纤维横截面中磁性颗粒分布不均匀且出现分层现象。而30% PU溶液制备的磁性分散液则由于处高黏性状态而使分散液难以被JE纤维吸附。因此，使用30% PU溶液制备的M-JE纤维仅在外部存在钕铁硼磁性颗粒[图S5（a）]。所以，使用15%、20%和30% PU磁性溶液制备的M-JE纤维的磁性能低于使用25% PU溶液制备的M-JE纤维[图S5（b）]。在图S5（b）中，使用25% PU溶液制备的磁性纤维展现出最高磁场强度，为18.41 mT，这是由于其磁性颗粒比例更高且具有合适的流动状态，因而高于使用15%、20%和30% PU溶液所获得的磁场强度。经过亲水处理后，JE纤维中的半纤维素被去除，内部纤维骨架收缩[47]。因此，经过亲水处理后，JE纤维相比原始JE纤维能够吸附更高浓度的PU溶液。图S6（a）展示了使用20% PU溶液并经过不同处理后制备的M-JE纤维的磁场强度。经过亲水处理后，所制备的M-JE纤维展现出高强度磁场（16.18 mT）。相比之下，真空处理有助于排出JE纤维中的气体，从而能够吸收磁性PU溶液。在图S6（b）中，对于25%的PU溶液，经过真空处理制备的M-JE纤维的磁场强度从18.41 mT增加到24.01 mT。所制备的M-JE纤维中的磁性颗粒的含量会影响其磁强度。图1（e）展示了在不同磁性颗粒含量下制备的纤维的磁滞回线。可以发现增加钕铁硼磁性颗粒含量会导致更高的磁场强度，剩余磁化强度从15.04 A∙m2∙kg-1增加到60.39 A∙m2∙kg-1。

为了证明M-JE纤维的应用性，我们将其用作纬纱，将涤纶纱用作经纱，通过商用SGA598半自动织机织造成平纹织物[图2（a）~（c）]。随后，使用充磁机对制备好的M-JE织物进行磁化，充磁线圈的N极垂直于样品表面。在磁化过程中，充磁线圈会产生强脉冲磁场，磁性颗粒中的磁偶极子在强磁场作用下会重新规则排列，从而使JE纤维具有磁性（图S7）[21,49]。重量和柔韧性是纺织品的关键参数。我们测试了M-JE织物的质量，5层M-JE织物的质量为34.2720 g，约相当于一个猕猴桃质量的1/3 [附录A图S8（a）和（b）]。此外，我们通过扭转和弯曲的方式直观地展示了M-JE织物的柔韧性。由于织物在经向具有明显的柔韧性，所以沿纬向进行了展示（附录A视频S1）。如图S8（c）所示，M-JE织物可以任意弯曲并恢复原状，体现出其柔韧性。M-JE织物质轻且柔韧，便于携带，通过缝合与衣物相结合具有良好的应用潜力。值得注意的是，M-JE织物能够批量生产，原因如下：JE纤维是天然植物纤维，产量丰富；制备M-JE纤维所用的聚氨酯、钕铁硼磁性颗粒和涤纶纤维均为市售产品，可大量采购，能有效降低成本；制备出的M-JE纤维强度高，满足工业织机连续生产的机械要求。

为了进一步研究所提出的M-JE织物中的磁场分布，我们使用了商业分析与计算软件COMSOL Multiphysics对制备的M-JE织物的二维（2D）磁场分布以及织物层数对磁场分布的影响进行了分析和计算。模拟计算的条件如下：M-JE织物的宽度设定为5 cm，M-JE纤维的直径设定为25 mm；M-JE织物样品在y方向（y为笛卡儿坐标系的坐标轴）被磁化；M-JE纤维的剩余磁通密度为25.81 mT；环境为常温环境。M-JE织物表面磁场分布的模拟结果如图2（d）所示，其中色条（淡紫色到深红色）表示磁场强度逐渐增加。如图2（d-i）所示，M-JE织物样品的磁场主要分布在M-JE纤维的表面，并且在y方向迅速减弱。我们进一步探究了M-JE织物层数对其表面磁场强度的影响。图2（d）以及图S9展示了不同层数的M-JE织物样品表面的磁场分布。结果清楚地表明，M-JE织物表面的磁场强度随层数的变化而变化，且M-JE织物的表面磁场强度随着层数的增加而增大。

3.2 发电性能研究

本文使用5个5 cm × 5 cm的制备好的M-JE织物样品来研究其发电性能。我们搭建了一个稳定的测试平台，使M-JE织物和感应线圈在水平方向上以规定的速度和规定的距离做相对运动，并测量M-JE织物在往复式横向运动时的发电性能。麦克斯韦方程组系统地描述了磁场和电场之间的关系（公式S1至公式S4）：电场产生于时变磁场，即变化的磁场会产生电场；电流和变化的电场会产生磁场；电场是有源场，其散度与电荷密度相关；磁场是无源场，其散度为零。根据麦克斯韦方程组中的法拉第定律，多匝闭合线圈在时变电场中的电压可通过公式（1）求解[50]。

emft=-NdΦdt

式中，emf(t)为电动势（电动势是反映电源将其他形式的能量转化为电能的能力的物理量）随时间t变化的函数；N为感应线圈匝数；Ф为穿过感应线圈的磁通量。dΦ/dt为通过感应线圈磁通量随时间的变化率。其中Ф可以通过公式（2）计算：

Φ=BS

式中，B为磁通密度；S为感应线圈的面积。

感应线圈中的电流可以通过公式（3）计算：

It=emftR

式中，I(t)为电流随时间的变化函数；R为感应线圈的内阻。

根据公式（1）~（3），输出电压、电流和磁场之间关系的理论方程推导如下：

emft=-NdΦdt=-NdBSdt=-NSdBdt
It=emftR=-NSdBdtR=-NSRdBdt

根据公式（4）和（5），影响电能输出的因素包括磁通密度随时间的变化率（dB/dt）和感应线圈匝数N。根据法拉第定律，感应线圈中变化的磁通量会感应出电压。因此，当M-JE织物与感应线圈相对运动时，感应线圈中会对应产生感应电压。我们通过商业模拟计算软件COMSOL对这一发电过程进行了详细模拟。图3（a）和附录A视频S2展示了M-JE织物和感应线圈相对运动时，感应线圈内磁场变化的计算模拟结果。在图3（a-i）和（a-iv）中，M-JE织物分别处于相对运动的起始和结束位置，且位于感应线圈正下方，此时感应线圈内的磁场强度最大。随着M-JE织物远离线圈，线圈内的磁场强度降低[图3（a-ii）和（a-iii）]。图3（b）通过模型图展示了M-JE能量收集织物的工作模式，并展示了当感应线圈在M-JE织物上方做相对运动时，感应线圈中电流的变化情况。线圈中感应电压的方向可以用麦克斯韦方程组中法拉第电磁感应定律的微分形式来描述（附录A中公式S1）[50]。根据公式S1，在变化磁场的作用下会感应出旋转电场，电场方向由符号“-”决定。因此，在循环的前半段，当感应线圈靠近磁性织物时，线圈中的磁通量增加，会感应出逆时针方向的电流。随着线圈继续远离磁性织物，线圈中的磁通量减少，感应电流变为顺时针方向。在循环的后半段，线圈再次靠近M-JE织物，感应线圈中的电流变化规律与前半段相同。为了验证这一规律，我们将感应线圈固定在线性电机上。当M-JE织物和感应线圈相对运动时，感应线圈中的电流波形的变化与感应线圈循环的推断一致[图3（c）]。

为了进一步优化M-JE织物的机-电能量转换效率，本文研究了与M-JE织物相关的多个因素，包括JE纤维的直径、磁性颗粒尺寸、相对运动速度、感应线圈的匝数、线圈形状及连接方式、M-JE织物与感应线圈之间的间隙以及M-JE织物的层数。首先，我们研究了JE纤维的直径和磁性颗粒尺寸的影响，此时采用方形线圈，线圈面积、相对运动速度和匝数分别为5 cm × 5 cm、0.75 m∙s-1和2000匝。M-JE织物与感应线圈的面积相同，且磁性织物与线圈之间的距离为0 mm。不同直径JE纤维的开路电压和短路电流波形如图S10所示。随着JE纤维直径的增大，峰值开路电压从0.26 V增至0.52 V，峰值短路电流从1.20 mA增至2.39 mA。由于M-JE纤维内部孔径的限制[图1（e）]，磁性颗粒的尺寸可能会通过影响M-JE颗粒在M-JE纤维内的分布，进而影响M-JE磁性织物的机电能量转换能力。为了系统地验证磁性颗粒直径对M-JE磁性织物机电能量转换性能的影响，我们使用不同粒径的磁性颗粒制备了不同的M-JE织物，并测试了它们的电压和电流输出性能。图S11（a）和（b）展示了不同目数磁性颗粒的显微图像。在相同放大倍数下，100目的磁性颗粒尺寸明显大于400目的磁性颗粒。图S11（c）和（d）显示了不同目数磁性颗粒的粒径分布。统计数据表明，400目的磁性颗粒中79%的粒径分布在20~50 μm之间。100目的磁性颗粒粒径分布范围更广，其中57%的磁性颗粒粒径超过60 μm。图S11（e）展示了用100目磁性颗粒制备的M-JE纤维的横截面显微图像，可见M-JE纤维外部存在大量磁性颗粒，而内部呈白色。这表明，由于JE纤维内部孔径的限制[图1（c）]，大多数磁性颗粒被阻挡在纤维外部，只有少数较小的磁性颗粒进入了纤维内部。我们研究了用两种不同粒径磁性颗粒制备的M-JE织物的能量输出特性，对比了不同目数磁性颗粒制备的M-JE织物的开路电压和短路电流曲线，分别如图S11（f）和（g）所示。用100目磁性颗粒制备的M-JE磁性织物的开路电压峰值和短路电流峰值（0.42 V, 1.82 mA）略低于用400目磁性颗粒制备的M-JE磁性织物（0.52 V, 2.39 mA）。根据公式（4），线圈面积是影响M-JE织物电能输出性能的因素之一。因此，进一步研究了不同形状和面积的线圈对M-JE织物电压输出的影响。我们缠绕了三个等直径的线圈，并将其弯曲成三种形状[三角形、圆形和正方形；图S12（a）和（b）]。在相同的相对运动速度（0.78 m∙s-1）、M-JE织物层数（5层）以及M-JE织物与感应线圈间距相同（0 mm）条件下，我们测量了三种不同线圈形状的电压输出性能。如图S12（c）所示，不同线圈形状的输出电压略有不同，其中方形线圈的峰值电压最高（0.23 V），三角形线圈的峰值电压最低（0.18 V）。这是因为不同形状的线圈横截面积不同，而线圈的面积主要受其边长长度的影响。我们缠绕了三个不同边长的方形线圈，并测试了它们的电压输出性能。在图S12（d）中，随着线圈边长的增加，峰值输出电压也随之增加。不同相对运动速度下的开路电压-时间曲线如图3（d）所示，速度越高，输出电压越大。在1.65 m∙s-1的速度下，达到了最大输出电压（0.39 V）。在图S13（a）中，短路电流随着速度的增加而增大。感应线圈匝数也会对电能输出产生影响。在图3（e）中，当感应线圈的匝数从500匝增加到2000匝时，单层M-JE的开路电压峰值从0.32 V升至0.96 V，而短路电流峰值从5.6 mA降至3.5 mA [附录A中图S13（b）]。线圈的串联连接可以改变总匝数。我们研究了线圈数量和连接方式对电压输出性能的影响，将两个线圈以相同和不同的缠绕方向进行串联连接。如图S12（e）所示，两个线圈以相同的缠绕方向串联时，输出电压更高；然而，以相反方向连接时，输出电压会显著下降，甚至低于单个线圈感应的电压。这是因为感应线圈中的电压具有方向性。线圈中感应电压的方向可以用麦克斯韦方程组中法拉第电磁感应定律的微分形式来描述（公式S1）[50]。根据公式S1，感应电场具有方向，这由符号“-”决定。因此，当磁场方向不变时，不同绕向（顺时针和逆时针）的线圈会感应出相反方向的电压，导致电压输出显著下降。M-JE织物与感应线圈之间的间隙距离会影响通过感应线圈的磁通量，进而影响磁电转换性能。在图3（f）中，随着M-JE织物与感应线圈之间距离的增加，感应线圈的开路电压峰值从0.97 V降至0.16 V。M-JE织物的层数对表面磁场强度有较大影响[图2（a）、（d）和图S9]，当M-JE织物的层数从1层增加到5层时，感应线圈的输出电压从0.97 V增至3.09 V [图3（g）]。M-JE纤维与感应线圈之间的距离以及M-JE织物的层数也会影响短路电流输出性能。如图S13所示，短路电流随着M-JE织物与感应线圈之间距离的增加而减小；随着M-JE织物层数的增加而逐渐增大[从0.9 mA增至15 mA，图S13（e）]，这与相应的输出电压趋势一致。我们还研究了M-JE织物的能量输出性能。将不同阻值的电阻与感应线圈串联，在相同的测量环境下，使用吉时利6514静电计测定负载电阻两端的电压和电流。随着负载电阻的增大，负载两端电压逐渐升高，通过负载的电流逐渐减小（图S14）。根据测得的电流和电压值，在负载电阻为500 Ω时，获得了10 mW的峰值功率，对应的功率密度为4 W∙m-2（图S15）。与类似研究相比，本研究中的M-JE织物在开路电压、短路电流和功率密度方面具有明显优势（附录A表S1）。

PU的负载使得M-JE纤维具有良好的耐久性。为验证M-JE织物的稳定性和耐久性，我们对其在极端环境下的性能、耐洗性、耐磨性及稳定性展开了研究。将未经任何防护的M-JE织物（5层）依次放入热水和冰水中，测量其电压和电流输出性能（附录A视频S3）。图4（a）和（b）分别对比了M-JE织物在热水和冰水环境中的开路电压和峰值功率变化，结果显示，M-JE织物的开路电压和峰值功率在热水和冰水环境中均未出现显著下降。此外，利用耐磨测试仪对M-JE织物的耐磨性进行了测试[图S16（a）和（b）]。将一块聚酯织物固定在摩擦头上，通过往复机构驱动，持续摩擦M-JE织物。经过100次摩擦循环后，磁性织物未出现明显的损坏迹象[图S16（b）和（c）]。

我们测试了M-JE织物摩擦前后的机械能-电能转换能力。经过100次摩擦后，开路电压和峰值功率略有下降[图4（c）和（d）]，这可能是因为在摩擦过程中，M-JE纤维在织物中发生转动，导致M-JE织物的磁场发生变化。由此可见，M-JE织物表现出良好的耐磨性。为测试M-JE织物的耐洗涤性，我们使用商用洗衣机将M-JE织物洗涤了40 min（图S17）。洗涤后，M-JE织物未出现明显变化。我们测试了洗涤后M-JE织物的机械能-电能转换性能。洗涤后，峰值开路电压和峰值功率略有下降[图4（c）]，这可能是由于在洗涤过程中磁性M-JE纤维在织物中转动，致使织物磁场发生改变。因此，M-JE织物展现出良好的耐洗性。M-JE织物具有良好的稳定性，在长期使用后仍能保持稳定的机械能-电能转换特性。为验证M-JE织物的稳定性，我们通过直线往复横向电机以0.78 m∙s-1的速度连续驱动磁性织物3000次并进行测试。在连续运动过程中，开路电压波形呈现出良好的重复性[图4（e）]。因此M-JE织物表现出卓越的稳定性。

3.3 M-JE织物的应用

由于M-JE织物具有良好的能量收集性能，其在人体机械能收集领域具有良好的应用前景。在实际应用中，当肢体发生相对运动时，M-JE织物和感应线圈可固定在相对运动的肢体上，从而实现生物机械能的收集。本研究将制备的M-JE织物固定在志愿者衣服的袖口处，感应线圈固定在腰部[图5（a）]。人体摆臂可视为以关节为中心的圆周运动，区别于水平方向的相对运动。为研究摆臂角度和速度对电能输出性能的影响，我们使用可控制摆臂角度和速度的摆臂机构进行了测试[图S18（a）]。在图S18（b）和（c）中，随着摆臂速度增加，峰值输出电压和电流从0.77 V和2.03 mA分别增加到2.03 V和6.73 mA。附录A中图S18（d）和（e）展示了摆臂角度与能量输出之间的关系，随着摆臂角度增大，输出电压和电流也从0.74 V和2.03 mA增加到3.95 V和6.73 mA。我们还测试了当志愿者以跑步和慢走速度摆臂时，M-JE织物的能量收集性能。附录A视频S4展示了志愿者快速和慢速摆臂时M-JE织物的能量转换状态。当志愿者快速摆臂时，M-JE织物快速扫过位于腰部的感应线圈，此时志愿者胸前的一个灯板（100个并联的LED灯泡）随着摆臂闪烁[图5（b）]。将感应线圈连接到静电计（吉时利6514），以记录志愿者摆臂时感应出的电压和电流。如图5（d）和（e）所示，电压和电流波形与图3（b）和图S13所示的波形相似，所制备的M-JE织物在摆臂过程中能够产生峰值约为2 V和3 mA的稳定交流电（AC）电压和电流输出（峰值功率为6 mW，峰值功率密度为2.4 W∙m-2），这展现出良好的能量收集能力，足以给常见的小型电器供电。由二极管组成的半桥整流电路可将M-JE织物与感应线圈相对运动产生的交流电转换为直流电（DC）[51]。为验证所制备的M-JE织物作为电源的潜力，我们将其连接到整流桥的交流部分，用于对不同电容（220 μF、470 μF和1000 μF）的电容器进行充电（图S19）。当志愿者快速摆臂时，感应线圈中产生周期性交流电[图5（d）和（e）]。经过二极管整流过程后，交流电转换为脉冲直流电，并储存在电容器中（图S20）。图5（c）展示了志愿者摆臂产生电能并存储时，不同电容器的电压曲线。当志愿者快速摆臂时，电容器两端的电压迅速上升，能将一个1000 μF的电容器充电至1.5 V，这足以驱动小型电器[1]。我们还开展了实际应用测试（附录A视频S5）。在实验过程中，按照图S21所示的电路图进行线路连接。二极管用作整流装置，将感应线圈中的交流电转换为直流电；1000 μF的电容器用作储能元件，以确保电子设备能够持续工作。电路分别连接到常见的电子设备上，如定时器、计算器、电子手表以及电子温湿度计。如图5（f）和附录A视频S5所示，随着志愿者持续摆臂，定时器能够正常计时，并且可以随时暂停和启动；计算器能够完成完整的计算；电子手表也能正常显示时间；电子温湿度计则显示出环境的当前温度和湿度[图5（g）和附录A视频S5]。因此，本文所提出的M-JE织物能够有效地收集人体运动产生的机械能，并将其存储起来，供常见电子设备正常使用。

4 结论

本文通过将钕铁硼磁性颗粒负载到JE纤维中制备出M-JE纤维。我们探究了PU浓度、钕铁硼磁性颗粒固含量以及不同制备方法对所制备纤维磁性能的影响。通过对JE纤维进行亲水处理，使用固含量为25%的PU溶液、真空处理以及80%固含量的钕铁硼磁性颗粒，可使制备的M-JE纤维具有最佳磁性。利用商用织机可将纤维织成织物，并通过电磁感应实现机械能的转换与收集。本研究考察了不同变量对所制备磁性织物机械能收集的影响。当线圈匝数为2000匝、间距为0 mm、层数为5层且运动速度为1.65 m∙s-1时，M-JE织物能量收集器可实现最佳输出性能，产生的电压为3 V，电流为15 mA。当负载500 Ω电阻时，输出功率达到最大，为10 mW。将磁性织物和感应线圈分别置于志愿者的手腕和腰部，便于在志愿者摆臂时收集机械能。当志愿者快速摆臂时，感应线圈产生2 V电压和3 mA电流，这能够为商用电容器充电，并可用于驱动计算器、电子手表和定时器等小型电子设备。本研究制备的能量收集器具有诸多吸引人的优点，如输出电流高、制备简单、原材料成本低且易于获取。综上，本研究阐述了一种制备柔性可穿戴能量收集设备的新方法。

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