導讀
近日，美國特拉華大學(xué)的工程師團隊通過(guò)在一系列的纖維例如棉、尼龍和羊毛上，制造柔性碳納米管復合涂層，開(kāi)發(fā)下一代智能織物。
背景
與許多傳統物品一樣，服裝也在走向智能化，由此也產(chǎn)生出一項新興的研究領(lǐng)域：智能織物。智能織物標志著(zhù)傳統紡織業(yè)與電子技術(shù)、制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興科技的進(jìn)一步融合。
制作智能織物的材料很多，然而其中非常值得關(guān)注的一種就是：碳納米管。碳納米管的強度比鋼鐵與碳纖維更大，導電性比銅更好，重量比鋁更輕。
（圖片來(lái)源：維基百科）
一系列優(yōu)異的特性使得碳納米管成為了智能織物的重要候選材料之一。筆者曾介紹過(guò)利用碳納米管制造智能織物的研究案例，下面帶大家回顧一下：
1）美國辛辛那提大學(xué)的工程師們與賴(lài)特-帕特森空軍基地合作利用碳納米管制造出一種特殊紡線(xiàn)，它可以編織成能為智能手機充電的衣服。
2）美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員合成了一種超薄的碳納米管織物，具有優(yōu)秀的導電性以及比銅薄膜高出50倍的韌性。
（圖片來(lái)源：伊利諾伊大學(xué)）
創(chuàng )新
今天，讓我們再來(lái)看一個(gè)通過(guò)碳納米管打造智能織物的研究案例。近日，美國特拉華大學(xué)的工程師團隊通過(guò)在一系列的纖維例如棉、尼龍和羊毛上制造柔性碳納米管復合涂層，開(kāi)發(fā)下一代智能織物。
（圖片來(lái)源：特拉華大學(xué)）
相關(guān)論文發(fā)表在《ACS Sensors》期刊上。論文中，研究人員演示了測量特大范圍的壓力（從指尖輕輕地觸摸到叉車(chē)重重地碰撞）的能力。
涂覆這種感知技術(shù)的織物可用于未來(lái)的“智能服裝”。在這種“智能服裝”中，傳感器可被嵌入鞋底或者縫合到衣服中，來(lái)檢測人體運動(dòng)。
技術(shù)
碳納米管賦予這種輕量、柔性、透氣的織物涂層令人印象深刻的感知能力。當材料受擠壓時(shí)，織物中較大的電氣變化可被輕松地測量到。
該校材料機械工程系以及材料學(xué)科與工程系副教授 Erik Thostenson 表示：“作為一種傳感器，它可以非常靈敏地感知從微弱到猛烈的力量?！?br>
科學(xué)家們采用電泳沉積（EPD）聚乙烯亞胺功能化的碳納米管，在纖維上制造出類(lèi)似神經(jīng)的導電納米復合涂層。
Thostenson 表示：“薄膜的表現就像一種添加了電氣感知功能的染料。我實(shí)驗中開(kāi)發(fā)的EPD工藝，創(chuàng )造出了這種非常均一的納米復合涂層，它能與纖維的表面產(chǎn)生強烈的黏合作用。對于未來(lái)應用來(lái)說(shuō)，這項工藝具備工業(yè)可擴展性。”
（圖片來(lái)源：參考資料【2】）
如今，研究人員通過(guò)一種新方法將這些傳感器添加到織物中，這種新方法超越目前現有的其他制造智能織物的方法。特拉華大學(xué)多功能復合材料實(shí)驗室的負責人 Thostenson 表示，現有的技術(shù)，例如為纖維鍍上金屬，或者將纖維與金屬線(xiàn)編織到一起，會(huì )降低織物的舒適度和耐久度。
Thostenson 的研究小組開(kāi)發(fā)出的納米復合涂層是柔韌且舒適的，并已在一系列的自然與合成纖維上展開(kāi)過(guò)測試，包括凱芙拉、羊毛、尼龍、氨綸和滌綸。涂層的厚度只有250納米到750納米，約為一張紙的厚度的0.25%到0.75%，并只給鞋子或衣服增加了一克的重量。 另外，制造傳感器涂層所用的材料是低成本且相對環(huán)保的，因為它們可以在室溫條件下以水為溶劑來(lái)加工。
（圖片來(lái)源：特拉華大學(xué)）
價(jià)值
這種涂覆傳感器的織物的一項潛在應用，就是測量人們行走時(shí)腳部的力度。這一數據可以幫助醫生評估患者受傷后引起的身體失衡，或者來(lái)防止運動(dòng)員受傷。特別是，Thostenson 的研究小組正在與特拉華大學(xué)機械工程系教授、神經(jīng)肌肉生物力學(xué)實(shí)驗室主任 Jill Higginson 合作。他們的目標是研究，這些嵌入到鞋中的傳感器與生物力學(xué)實(shí)驗室技術(shù)（例如跑步機和運動(dòng)捕捉設備）之間的差異。
在實(shí)驗室測試期間，人們知道他們被觀(guān)察，但是在實(shí)驗室外，行為可能并不相同。
Thostenson 表示：“我們的想法之一就是，我們能在實(shí)驗室外利用這些新型織物，在街上、家中、各處行走?！?br>
美國特拉華大學(xué)機械工程系博士生 Sagar Doshi 是論文的領(lǐng)導作者。他制造了這些傳感器，優(yōu)化了它們的靈敏度，測試它們的機械性能，并將它們集成到?jīng)鲂c其他鞋子里面。他在初步試驗中穿戴這些傳感器。到目前為止，這些傳感器采集的數據可以與測力板（一種價(jià)值幾千美元的實(shí)驗室設備）采集的數據相比。
Doshi 表示：“因為這種低成本的傳感器薄且柔，所以有望制成定制的鞋子以及其他服裝。在日常生活期間，這些鞋子和服裝集成了電子設備來(lái)存儲數據。然后，研究人員或者治療師可以分析這種數據，評估穿戴者的表現并最終降低醫療保健的花銷(xiāo)?！?br>
這項技術(shù)也有望應用于運動(dòng)醫學(xué)、術(shù)后恢復以及評估兒童群體中的運動(dòng)障礙。
特拉華州威爾明頓市穆?tīng)柊瑺柛ダ椎露虐顑和t院（Nemours - Alfred I. duPont Hospital for Children） 兒科臨床研發(fā)中心主任、特拉華大學(xué)材料科學(xué)與工程系、生物醫療工程與生物科學(xué)系教授 Robert Akins 表示：“在真實(shí)環(huán)境中以及一段時(shí)間內，采集兒童的運動(dòng)數據是非常具有挑戰性的。諸如此類(lèi)的薄、柔、高度靈敏的傳感器，將幫助理療師與醫生遠程評估兒童的運動(dòng)能力，這意味著(zhù)臨床醫生能用一種低成本的方法，更多更好地采集數據，與目前的方法相比，去門(mén)診的次數將會(huì )更少?！?br>
跨學(xué)科合作對于開(kāi)發(fā)未來(lái)的應用來(lái)說(shuō)是必不可少的。特拉華大學(xué)的工程師們獲得了一個(gè)獨特的機會(huì )，與特拉華大學(xué)STAR校區衛生科學(xué)學(xué)院的教師與學(xué)生們一起合作。
Doshi 表示：“作為工程師，我們開(kāi)發(fā)新材料和傳感器，但是我們并不總是能理解醫生、理療師與患者所面臨的問(wèn)題。我們與他們合作解決他們所面對的問(wèn)題，要么用現有的方案指導他們，要么創(chuàng )造出一個(gè)創(chuàng )新方案來(lái)解決問(wèn)題?！?br>
Thostenson 的研究小組也采用了基于納米管的傳感器進(jìn)行其他應用，例如結構健康監測。
特拉華大學(xué)復合材料中心（UD-CCM）的教員 Thostenson 及其小組土木工程方面的研究人員一起展開(kāi)了柔性碳納米管傳感器的開(kāi)發(fā)，用于檢測大橋與其他大型結構的裂縫。Thostenson 表示：“長(cháng)久以來(lái)，我們一直在研究碳納米管與基于納米管的復合材料傳感器。關(guān)于復合材料，有一件事一直吸引著(zhù)我，這就是我們設計出不同長(cháng)度的復合材料，從宏觀(guān)的零件集合體，例如飛機或者機翼、汽車(chē)零部件，一直到織物結構或者纖維水平。然后，納米增強，例如碳納米管和石墨烯，將我們帶到了可以定制材料結構與功能特性的水平。盡管我們的研究是基礎性的，但是我們也著(zhù)眼于應用。在通過(guò)工業(yè)合作伙伴將實(shí)驗室中的基礎研究發(fā)現轉化為復合材料產(chǎn)品方面，UD-CCM 具有悠久的歷史。”
關(guān)鍵字
參考資料
【1】https://www.udel.edu/udaily/2018/august/smart-textiles-nanotube-sensors/
【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.8b00378
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