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经水洗、耐火烧!Nature发“最强”智能T恤,被车撞也毫发无伤

2020-11-13 11:10 智东西

导读:现有智能穿戴中的传感器都是“固定”在像纤维或者棉布等柔性材料,进而佩戴在身上,进行数据测量和收集。

你有没有想象过有一件可以在无数次清洗、拉扯、剪碎甚至熊熊烈火中依旧可以存活的T恤?

现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences,下称SEAS)和威斯生物启发工程学院(the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering,下称Wyss)的研究人员开发了一种超灵敏、弹性极强、可嵌入到纺织品和柔性机器人系统中的应变传感器。

依靠具有弹性的组件,这种未来的智能纺织品能绝大多数情况下保持原状,该论文昨天发表于《Nature》。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2892-6

一、“蛇形蜿蜒”碳纤维,实现传感器高灵敏度

通常来说,现有智能穿戴中的传感器都是“固定”在像纤维或者棉布等柔性材料,进而佩戴在身上,进行数据测量和收集。但这种“固定”的形式也注定传感器嵌入柔性材料的方式、传感器的功能等都会受到限制,但现有柔性传感器却难以在灵敏度和可多次折叠的耐用性之间达到平衡。

SEAS和Wyss的研究助理,该论文的第一作者Oluwaseun Araromi说:“当前的柔性张力传感器确实很灵敏,但也很脆弱。问题在于灵敏度和耐用性的矛盾,高灵敏度传感器通常很脆弱,但耐用传感器灵敏度又不够。因此,我们需要找到在实用和灵敏度中达到平衡的方案。”

最后,研究人员选择了一个外观和结构类似于Slinky(螺旋弹簧玩具)的设计。

▲Slinky(螺旋弹簧玩具)

“Slinky是由刚性金属制成的实心圆柱体,但是如果把圆形变成螺旋形状,则可以拉伸,” Araromi说, “这就是我们的基本思路:我们让刚性的碳纤维形成螺旋状,这样创造的传感器就能轻易地拉伸。”

柔性传感器的高灵敏性也是依赖于这个螺旋结构设计。因为其螺旋起伏的形状类似于蛇的滑行,研究人员将这种图案称为蛇形蜿蜒,并把该蛇形蜿蜒形状的导电碳纤维放在两个预应变的弹性基底之间。

▲在两个预应变的弹性基底之间的蛇形蜿蜒形状的导电碳纤维

就像只有当你拉扯Slinky两端,才能让它首尾相连一样,根据碳纤维的“蛇形蜿蜒”是否相互接触,该传感器的导电性会发生变化。因为“蛇形蜿蜒”的高敏感性,所以即使外界应力很小,该传感器也能产生应变。

▲在弯曲和扭转下的传感器

与当前的高灵敏度可拉伸传感器需要依靠硅或金纳米线等特殊材料不同,SEAS和Wyss研发的这款传感器可以由任何导电材料制成,不需要特殊的制造工艺,甚至不需要无尘室。

二、灵敏度、耐用性并驱,或进入柔性传感器新时代

Araromi目标中的柔型传感器需要同时达到“指哪打哪”的高灵敏度和“无坚不摧”的耐用性。

为了测试传感器的耐用性,研究人员用手术刀刺、用锤子敲、用汽车撞还扔进洗衣机洗十次,但传感器在每次测试中都毫发无损。

为了证明其灵敏度,研究人员将传感器嵌入到织物臂套中,并要求受试者穿戴该臂套,进行不同的手势动作,包括握紧拳头、张开手掌等。传感器通过织物检测到受试者前臂肌肉的细微变化,并用机器学习算法成功地对这些手势进行分类。

▲不同手姿动作下,传感器产生的电压

“高灵敏性和耐用性的平衡代表着柔性传感器进入了一个全新的阶段。” Araromi说。而且从虚拟现实、运动服饰到神经退行性疾病(如帕金森氏病)的临床诊断,嵌入有柔性传感器的臂袖有无数应用场合。

SEAS教授、该项目参与者之一Robert Wood说:“在保持柔型的同时具有高灵敏度是该传感器的最大的优点,但同样也令人影响深刻的是,其材料及制造工艺的低廉成本,这会使得推广该项技术更加容易。”哈佛大学技术开发办公室已为该项目申请相关的知识产权。

同为SEAS教授的Conor Walsh说:“由于该柔型传感器可以紧密地贴合人体,我们目前正在探索如何将该传感器嵌入到服装中。通过配备有该柔型传感器的衣物,我们可以随时随地进行生物力学和生理学测量,掌握大量第一手数据,这是用当前的方法不可能实现的。”

结语:“百折不饶”的柔性传感器,会成为智能穿戴的答案吗?

柔性传感器一直被认为是能与周围环境进行智能交互的潜力股,但由于其灵敏度与柔性难以兼得、难有符合条件的稀有材料和制造工艺,一直没有出现低成本可推广的解决方案。

哈佛大学的这项研究成果或为智能穿戴及相关应用领域提供了坚固的技术支持。

来源:ScienceDaily、Nature