隨著智能可穿戴設(shè)備的興起,人們致力于發(fā)展具有與人體皮膚相似感知功能的智能紡織品。然而,迄今為止,能夠感知外部危險(xiǎn)、特異性識別且準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的智能感知紡織品仍有待實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì)制備了具有優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能的蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維,并基于此設(shè)計(jì)了一種智能感知紡織品,該紡織品能夠快速響應(yīng)外部危險(xiǎn),如火燒、水浸和銳利物劃傷,以保護(hù)人體/機(jī)器人免受傷害;同時(shí),還設(shè)計(jì)了能夠特異性識別、可準(zhǔn)確定位人體手指觸摸的感知紡織品,使其可以用作柔性的可穿戴人機(jī)交互界面,以輔助人們便捷地控制遠(yuǎn)程終端。通過連續(xù)濕法紡絲和溶劑交換制備的SIH纖維,由于其內(nèi)部的半結(jié)晶和高取向結(jié)構(gòu)、離子液體的加入,而具有出色的斷裂強(qiáng)度(55 MPa)和延展性(530%),以及穩(wěn)定且優(yōu)異的導(dǎo)電性(0.45 S·m–1);诖死w維設(shè)計(jì)的織物在智能可穿戴設(shè)備與柔性人機(jī)交互界面等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。4月17日,該研究以題為“Intelligent perceptual textiles based on ionic-conductive and strong silk fibers”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上(Nat Commun 2024,15,3289)。文章第一作者是清華大學(xué)陸浩杰博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖 1:SIH 纖維的制備過程、形貌、可編織性與柔性電學(xué)應(yīng)用。
作者利用從蠶繭中提取的絲素蛋白制備了紡絲原液,并采用連續(xù)濕法紡絲方法制備再生蠶絲纖維。將該纖維通過含有離子液體([Emim]BF4)、甘油和水的溶液中以進(jìn)行溶劑交換,制備了蠶絲基離子水凝膠(SIH)纖維。該纖維展現(xiàn)出良好的柔性、透明性和可編織性。并且基于良好的導(dǎo)電性,可以用作電致發(fā)光器件的柔性透明電極。
圖2:SIH纖維的組成成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。
通過熱重分析、能量色散光譜(EDS)與紅外光譜證實(shí)了[Emim]BF4均勻地分布于SIH纖維中。熱重曲線中位于350℃的重量損失歸因于[Emim]BF4。EDS圖譜中的元素F歸屬于[Emim]BF4。紅外光譜中位于1169 cm–1處的峰可歸因于[Emim]+環(huán)中C?N?C的不對稱振動(dòng)。與此同時(shí),紅外光譜與偏光顯微鏡圖片證明了SIH纖維的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)與高取向結(jié)構(gòu)。
圖 3:SIH 纖維的力學(xué)和電學(xué)性能。
SIH纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能。其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別達(dá)到4 MPa和530%。而進(jìn)一步的牽伸處理(溶劑交換前)可以將其拉伸強(qiáng)度提高至55 MPa,比之前報(bào)道的水凝膠纖維(<10 MPa)高出數(shù)倍。其離子電導(dǎo)率可達(dá)0.45 S·m–1,并且在放置3周后或在各種機(jī)械刺激(按壓、彎曲、拉伸)下能夠保持穩(wěn)定。
圖 4:SIH纖維對火、水和銳利物的電學(xué)響應(yīng)及其機(jī)理,展示了在識別危險(xiǎn)方面的潛在應(yīng)用。
作者探索了SIH纖維在危險(xiǎn)感知智能紡織品中的潛在應(yīng)用。通過將SIH纖維集成到商業(yè)手套中,設(shè)計(jì)了一種用于仿生機(jī)械手的智能防護(hù)手套。當(dāng)暴露在危險(xiǎn)條件(火、水和銳利物)下時(shí),智能手套會(huì)產(chǎn)生特征的電學(xué)信號,以準(zhǔn)確地識別這些危險(xiǎn)。
圖 5:SIH 纖維基感知紡織品用于高精度人機(jī)交互。
進(jìn)一步地,作者使用SIH纖維設(shè)計(jì)了可以特異性識別、準(zhǔn)確定位人手觸摸的纖維與織物。首先制備了SIH纖維基織物:將單根SIH纖維集成到商業(yè)織物上,或?qū)⑵渚幙棾善郊y織物。通過電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以特異性識別和準(zhǔn)確定位人手觸摸的位點(diǎn)或區(qū)域,這使其不同于對任何物體接觸/按壓都產(chǎn)生響應(yīng)的壓阻型或電容型傳感織物。當(dāng)人們穿戴由SIH纖維制成的織物時(shí),可以通過對其進(jìn)行觸摸以控制遠(yuǎn)程終端。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-47665-y
- 華南農(nóng)大胡傳雙教授、林秀儀副教授、徐江濤副教授 Adv. Sci.:雙網(wǎng)絡(luò)離子水凝膠實(shí)現(xiàn)可穿戴電子器件電磁屏蔽與自供電傳感一體化 2025-07-03
- 深圳大學(xué)田雷課題組 Macromolecules:超拉伸、抗裂紋擴(kuò)展和抗沖擊的離子導(dǎo)電離子水凝膠 2025-04-15
- 阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授 AFM:皮膚角質(zhì)層啟發(fā)的本征保濕抗凍兩性離子水凝膠用于智能柔性傳感器 2025-04-14
- 香港城市大學(xué)胡金蓮教授團(tuán)隊(duì) Adv. Sci.: 可穿戴生物電子技術(shù)突破 - 居家管理肌肉萎縮成為可能 2025-07-16
- 華南理工江賽華教授課題組 CEJ:基于3D打印技術(shù)構(gòu)建的可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器在材料感知領(lǐng)域的應(yīng)用 2025-05-29
- 深圳技術(shù)大學(xué)史濟(jì)東等 Carbon:基于石墨烯-納米纖維素復(fù)合薄膜的自修復(fù)應(yīng)變/濕度雙模傳感器的設(shè)計(jì)及在可穿戴呼吸監(jiān)測的應(yīng)用 2025-05-28
- 澳門大學(xué)孫國星團(tuán)隊(duì) AFM:拉伸取向增強(qiáng)雙網(wǎng)絡(luò)無溶劑深共晶凝膠及應(yīng)用于人機(jī)交互器件 2025-05-29