特拉华大学:新型纳米传感器催生可穿戴的智能纺织品

行业动态 加入时间:2018-8-20 11:11:45 访问量:142

 特拉华大学(University of Delaware)的一组工程师正在利用在棉花、尼龙和羊毛等各种纤维上制作出柔性碳纳米管复合涂层的方法开发下一代智能纺织品。他们的成果发表在“ACS传感器”杂志上,题目为“超薄柔性碳纳米管压力传感器”。他们展示了新型传感器的优异性能:可以测量很大范围的压力变化,打个比方就是从轻触指尖的微小压力到驱动叉车的巨大压力之间的变化。

 

未来的“智能服装”可能会使用这种具有传感技术的织物。传感器可以制作在鞋子的鞋底或衣服上,随时检测人体运动状态。

 

SagarDoshi(左)和埃里克·托斯滕森测试配备了他们的新型传感器的肘部袖子

图片来源:特拉华大学

 

碳纳米管赋予这种织物涂层轻便、灵活、透气的特性,同时具有非凡的传感能力。这种织物涂层被挤压时,很容易测量出其中明显的电学变化。

 

特拉华大学机械工程系和材料科学与工程系的副教授埃里克·托斯滕森(Erik Thostenson)表示:“作为传感器,它对从触摸级到吨级的力都非常敏感。

 

他们的研究小组利用聚乙烯亚胺功能化碳纳米管的电泳沉积技术(EPD),在纤维上制备了神经状导电纳米复合涂层。

 

托斯滕森表示:“这些薄膜的作用就像一种染料,增加了电感应功能。我的实验室开发的EPD工艺创造了这种非常均匀的,可以与纤维表面牢固地结合在一起纳米复合涂层。该EPD工艺具有工业级的扩展性,可以满足未来各种生产应用的需求。

 

目前,研究人员可以使用这种涂层将传感器添加到织物上,比现有的其他制造智能纺织品的方法优越。指导特拉华大学多功能复合材料实验室工作的托斯滕森解释说:“现有的其他技术,比如电镀金属纤维技术或同时编织针织纤维和金属丝的技术,会降低织物的舒适性和耐久性。”

 

托斯滕森小组开发的纳米复合涂层具有良好的柔韧性和触摸感,并已在Kevlar、羊毛、尼龙、氨纶和聚酯等多种天然和合成纤维上进行了测试。涂层只有250到750纳米厚,大约是一张纸厚度的0.25%到0.75%,并且只会给传统的鞋或衣服增加大约1克的重量。此外,用于制作传感器涂层的材料价格低廉,相对环保:它们可以在室温环境下以水作为溶剂进行加工。

 

开拓全新的应用

 

传感器涂层织物的一个潜在应用是测量人们走路时脚上的力量数据。这些数据可以帮助临床医生评估患者受伤后的损伤情况,或者帮助运动员预防受伤。这个应用的开发工作是特拉华大学INBRE资助的一个试点项目的一部分,托斯滕森的研究小组正在与特拉华大学的机械工程学教授、神经肌肉生物力学实验室主任吉尔·希金森(Jill Higginson)的小组合作,攻克其中的难点。他们的目标是拿这些嵌入鞋子里的传感器,与传统的生物力学实验室技术如仪器式跑步机和运动捕捉等进行对比,看是否具备独特的性能优势。

 

人们在实验室进行测试的时候是知道自己正在被监视的,但在实验室之外,测试者心理状况不同可能会导致其行为是不同的。

 

托斯滕森说:“们设计了一个解决方案,在实验室之外进行测试并获取数据:穿戴有这些新颖的纺织品的测试者走在街上、家里、任何其他地方的时候,才开始记录他们的数据。

 

特拉华大学的机械工程博士、论文的主要作者SagarDoshi,在项目中负责的是制造传感器、优化它们的灵敏度、测试它们的力学性能、并将它们集成到鞋子中。他已经在进行初步测试的人员身上佩戴了传感器。他们到目前为止已经获取了两种数据:传感器收集的数据和需要花费数千美元的实验室设备压力板收集的数据。

 

Doshi表示:“这种低成本的传感器薄而且灵活,所以有可能制造出集成有电子产品的定制鞋类和服装,用来存储日常生活中的运动数据。研究人员或治疗师可以对这些数据进行分析,以评估运动效果或者降低医疗成本。”

 

这项技术在运动医学、手术后恢复以及评估儿童运动障碍方面也有很大的应用前景。

 

位于威尔明顿的阿尔弗雷德·杜邦儿童医院儿童临床研究和发展中心主任、特拉华大学材料科学和工程学院的附属生物医学工程和生物科学系教授罗伯特·阿金斯说:“想要在短时间内实现从现实环境中收集儿童的运动数据是很有挑战性的。这种薄薄的、灵活的、高度敏感的传感器可以帮助物理治疗师和医生远程评估孩子的运动情况。这意味着临床医生可以收集更多的数据,并可能以一种成本效益更高的方式收集到更好的数据,而不需要病人像传统的方法那样频繁地出入诊所。”

 

跨学科的合作对于发展未来应用是至关重要的。工程师在特拉华大学有一个能够同教师和学生合作交流的独特机会。这些老师和同学来自特拉华大学的健康科学学院,负责科学、技术和校园先进研究(STAR)项目的工作。

 

Doshi表示:“我们作为工程师能够开发出新的材料和传感器,但我们并不总是完全理解医生、理疗师和病人所面临的关键问题。我们与他们合作,致力于解决他们所面临的问题,引导他们找到一个现在已有的解决方案,或者制定一个创新的解决方案来解决这个问题。”

 

托斯滕森的研究小组还计划将基于纳米管的传感器用于其他应用,如结构健康监测。

 

托斯滕森表示:“们长期以来一直在研究碳纳米管和基于纳米管的复合传感器。我们通过与土木工程研究人员合作,率先开发出了柔性纳米管传感器,用来检测桥梁和其他大型结构中存在的裂缝。

 

我感兴趣的复合材料的开发方向之一是如何在不同的长度范围内设计和使用这些材料:从宏观部分的几何形状如飞机部件、飞机机翼、汽车零部件的水平到织物结构、纤维级别的水平。现在,碳纳米管和石墨烯等纳米增强材料为我们定制材料的结构和功能特性提供了另一个物理层次的帮助。我们的研究虽然可能是基础性的,但人们看到了这项研究的广泛应用的潜力。特拉华大学的复合材料研究中心(UD-CCM)有着通过学校的工业联盟将实验室的基础研究发现转化为商业产品的悠久历史。

 
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