特拉华大学新型纳米传感器催生可穿戴的智能纺织品

      近日，美国特拉华大学的工程师团队通过在一系列的纤维例如棉、尼龙和羊毛上制造柔性碳纳米管复合涂层，开发下一代智能织物。
 

       相关论文发表在《ACS Sensors》期刊上。论文中，研究人员演示了测量特大范围的压力（从指尖轻轻地触摸到叉车重重地碰撞）的能力。

       涂覆这种感知技术的织物可用于未来的“智能服装”。在这种“智能服装”中，传感器可被嵌入鞋底或者缝合到衣服中，来检测人体运动。

       技术

       碳纳米管赋予这种轻量、柔性、透气的织物涂层令人印象深刻的感知能力。当材料受挤压时，织物中较大的电气变化可被轻松地测量到。

       该校材料机械工程系以及材料学科与工程系副教授 Erik Thostenson 表示：“作为一种传感器，它可以非常灵敏地感知从微弱到猛烈的力量。”

       科学家们采用电泳沉积（EPD）聚乙烯亚胺功能化的碳纳米管，在纤维上制造出类似神经的导电纳米复合涂层。

       Thostenson 表示：“薄膜的表现就像一种添加了电气感知功能的染料。我实验中开发的EPD工艺，创造出了这种非常均一的纳米复合涂层，它能与纤维的表面产生强烈的黏合作用。对于未来应用来说，这项工艺具备工业可扩展性。”

 
      如今，研究人员通过一种新方法将这些传感器添加到织物中，这种新方法超越目前现有的其他制造智能织物的方法。特拉华大学多功能复合材料实验室的负责人Thostenson表示，现有的技术，例如为纤维镀上金属，或者将纤维与金属线编织到一起，会降低织物的舒适度和耐久度。

       Thostenson的研究小组开发出的纳米复合涂层是柔韧且舒适的，并已在一系列的自然与合成纤维上展开过测试，包括凯芙拉、羊毛、尼龙、氨纶和涤纶。涂层的厚度只有250纳米到750纳米，约为一张纸的厚度的0.25%到0.75%，并只给鞋子或衣服增加了一克的重量。另外，制造传感器涂层所用的材料是低成本且相对环保的，因为它们可以在室温条件下以水为溶剂来加工。

 
      价值

      这种涂覆传感器的织物的一项潜在应用，就是测量人们行走时脚部的力度。这一数据可以帮助医生评估患者受伤后引起的身体失衡，或者来防止运动员受伤。特别是，Thostenson的研究小组正在与特拉华大学机械工程系教授、神经肌肉生物力学实验室主任Jill Higginson合作。他们的目标是研究，这些嵌入到鞋中的传感器与生物力学实验室技术（例如跑步机和运动捕捉设备）之间的差异。

       在实验室测试期间，人们知道他们被观察，但是在实验室外，行为可能并不相同。

      Thostenson表示：“我们的想法之一就是，我们能在实验室外利用这些新型织物，在街上、家中、各处行走。”

       美国特拉华大学机械工程系博士生Sagar Doshi是论文的领导作者。他制造了这些传感器，优化了它们的灵敏度，测试它们的机械性能，并将它们集成到凉鞋与其他鞋子里面。他在初步试验中穿戴这些传感器。到目前为止，这些传感器采集的数据可以与测力板（一种价值几千美元的实验室设备）采集的数据相比。

       Doshi表示：“因为这种低成本的传感器薄且柔，所以有望制成定制的鞋子以及其他服装。在日常生活期间，这些鞋子和服装集成了电子设备来存储数据。然后，研究人员或者治疗师可以分析这种数据，评估穿戴者的表现并最终降低医疗保健的花销。”

       这项技术也有望应用于运动医学、术后恢复以及评估儿童群体中的运动障碍。

       特拉华州威尔明顿市穆尔艾尔弗雷德杜邦儿童医院（Nemours – Alfred I. duPont Hospital for Children）儿科临床研发中心主任、特拉华大学材料科学与工程系、生物医疗工程与生物科学系教授Robert Akins表示：“在真实环境中以及一段时间内，采集儿童的运动数据是非常具有挑战性的。诸如此类的薄、柔、高度灵敏的传感器，将帮助理疗师与医生远程评估儿童的运动能力，这意味着临床医生能用一种低成本的方法，更多更好地采集数据，与目前的方法相比，去门诊的次数将会更少。”

       跨学科合作对于开发未来的应用来说是必不可少的。特拉华大学的工程师们获得了一个独特的机会，与特拉华大学STAR校区卫生科学学院的教师与学生们一起合作。

       Doshi表示：“作为工程师，我们开发新材料和传感器，但是我们并不总是能理解医生、理疗师与患者所面临的问题。我们与他们合作解决他们所面对的问题，要么用现有的方案指导他们，要么创造出一个创新方案来解决问题。”

       Thostenson的研究小组也采用了基于纳米管的传感器进行其他应用，例如结构健康监测。

       特拉华大学复合材料中心（UD-CCM）的教员Thostenson及其小组土木工程方面的研究人员一起展开了柔性碳纳米管传感器的开发，用于检测大桥与其他大型结构的裂缝。Thostenson表示：“长久以来，我们一直在研究碳纳米管与基于纳米管的复合材料传感器。关于复合材料，有一件事一直吸引着我，这就是我们设计出不同长度的复合材料，从宏观的零件集合体，例如飞机或者机翼、汽车零部件，一直到织物结构或者纤维水平。然后，纳米增强，例如碳纳米管和石墨烯，将我们带到了可以定制材料结构与功能特性的水平。尽管我们的研究是基础性的，但是我们也着眼于应用。在通过工业合作伙伴将实验室中的基础研究发现转化为复合材料产品方面，UD-CCM具有悠久的历史。”