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搭载柔性器件的可穿戴电子产品有何新作为?

来源:纺织科学研究 | 作者:纺织科学研究 | 时间:2019-07-09 10:27:29 | 订阅《东方纺织》周刊

01

东南大学:仿生螺旋藤蔓微导线可构建柔性导电薄膜

 

日前,东南大学生物电子学国家重点实验室教授赵远锦课题组在电子皮肤的研究过程中取得新进展,研究团队基于微流控纺丝系统,一步制备出包裹离子液体的仿生螺旋藤蔓微导线。这种柔软的微导线经过进一步的排列可以包裹在柔性薄膜中,如皮肤般贴附在人体表面,可在不同部位不同幅度的运动中依然保持较为稳定的导电性。

研究团队使用共轴组装的玻璃毛细管微流控装置一步制备壳层为聚偏氟乙烯(PVDF),内部包裹有离子液体1-乙基-3-甲基四氟硼酸咪唑(EMIMBF4)的螺旋纤维。由于螺旋纤维的形貌能够通过微流控制备过程中的流体流速控制进行调节,可以简单地制备出具有不同螺距的微型导线。而将制备所得的导线包裹在具有良好拉伸特性的透明硅胶薄膜中,可以构建简单的柔性导电薄膜。包裹不同螺距导线的薄膜在拉伸过程中具有不同的电阻变化特性,并且呈现出纤维螺距越小电阻变化越小的趋势。这种薄膜材料还具有良好的重复使用特性,在多次的拉伸形变中依然能够保持良好的形态和稳定的电阻变化。

据介绍,这种柔性导电薄膜在实际应用中也能对于不同身体部位的活动有所响应。当手指、手腕和手肘弯曲不同程度时,柔性薄膜的电阻在保持整体稳定的同时会随运动出现极小范围内不同程度的变化。这种特性使制备所得导电薄膜在运动时依然保持稳定的电子传导,在对于灵敏度有较高要求的系统中减小背景信号的干扰,具有很大的实际应用前景。

 

02

马里兰大学&科罗拉多大学:降温木材实现辐射制冷

 

马里兰大学教授胡良兵团队和科罗拉多大学教授尹晓波团队合作研发了一种可以自动降温的高性能结构材料。这种材料通过一种新型被动辐射冷却技术产生散热路径:通过大气透明窗口将热量从这些结构散发到具有零能耗的超冷宇宙中。辐射制冷效果高达 10℃,强度可媲美钛合金。

由于木材纤维素的低光学损耗和无序的光子结构,降温木材呈现出极高的光学白度,不吸收可见光。降温木材中保持了原始木材有序排列的微米孔洞和纳米纤维素,其多尺度纤维和通道作为随机和无序的散射单元,对可见光光谱具有强烈的宽带反射。降温木材中纤维素的分子振动和拉伸在红外区,尤其是 8~13μm 的大气透明窗口区域,产生强烈辐射。因此,降温木材通过大气窗口辐射到宇宙中的热量超过其吸收的太阳辐射能量,从而实现无需任何能源输入的比环境温度更低的制冷效果。

该团队使用木材这种可再生的生物材料,与以前的利用纳米光子谐振器的策略有所不同。胡良兵表示:“这是我们研究组实现的木头和纤维素纳米技术的又一重大进步:降温木材仅由木材制成,也就是说,没有任何其他例如聚合物的成分,可以作为绿色建筑材料有效降低室内温度”。

 

03 

阿尔伯塔大学:自修复导电水凝胶取得新进展

 

导电水凝胶兼具良好的电学性质,可拉伸弯折的机械性能,以及与人体相似的组织结构,因此可以模拟人体肌肉和皮肤的变化,在柔性可穿戴和可植入电子器件方面显示出巨大前景。然而,目前常用的导电高分子材料如聚苯胺,聚吡咯,聚噻吩等通常硬而脆,如何设计出具有高电导率和自修复能力的柔性导电水凝胶以提高其功能性和使用寿命成为近年来的研究热点。基于水凝胶多孔的结构特点,制备互穿型水凝胶网络可以简单方便地集成多种功能性以及构建协同效应,从而构筑具有理想电学和机械性能的水凝胶传感器。

最近,加拿大阿尔伯塔大学教授曾宏波(Hongbo Zeng)课题组报道了一种具有高电导率、可塑性和快速修复能力的水凝胶应变传感器。首先,将氢键基团作为交联点与苯乙烯磺酸钠聚合形成第一个柔性水凝胶网络(PSS-UPy),接着原位引发苯胺的聚合形成第二个刚性的导电聚苯胺网络(PANI),两个网络通过静电作用紧密结合,同时 UPy 基团间可逆的氢键作用使凝胶表现出温度敏感性和自修复性能 。

当苯胺含量为 0.3 mol/L 时,该水凝胶的电导率可高达 13 S/m 并可以被反复拉伸 6 倍以上,尤其是在被外力破坏后表现出快速的自修复性能。当材料被切开后,仅需接触 30s 就可以被再次拉伸而不断裂。因为氢键在高温下可被破坏从而使凝胶变软,制备的导电水凝胶具有可塑性,在 50℃下可以轻松从针头中挤出,构建不同的形状和结构。

该导电水凝胶在 0%~300% 的拉伸应变下灵敏度稳定在 3.4,其应变传感特性被成功用于监测人体的各种大幅度活动和细微的生理信号,比如手指和手腕的弯曲,吞咽动作,声带的振动,以及脉搏跳动的幅度和频率。其独特的高电导率和快速自修复性能为导电水凝胶的设计提供了新思路。

 

04

河北工业大学:MXene/ 聚合物纤维毡柔性与弹性俱佳

 

近年来,随着柔性电子科学和人工智能技术的发展,柔性应变传感器件逐渐成为了一大研究热点。MXene 是一种新兴的二维过渡金属碳化物 / 碳氮化物,与大多数其他二维材料(如石墨烯)不同,MXene 具有良好的亲水性和高的本征金属导电性,同时原子层厚度的 MXene纳米结构具有良好的柔性,使其在柔性应变传感领域表现出潜在的优势。

近日,河北工业大学材料科学与工程学院副研究员苑文静课题组采用静电纺丝技术制备了柔性聚合物纤维毡(PF)。该纤维毡具有均匀的纤维网络和孔隙结构,表现出良好的柔性和优异的弹性。二维 MXene 片层表面由于具有丰富的功能化基团,可通过氢键或静电相互作用包覆于纤维毡表面,得到高柔性、可拉伸的导电 M/PF 毡。当 M/PF 毡被拉伸时,纤维网络变得致密,并且纤维趋向于沿应变方向平行排列,可以缓冲单个 MXene/聚合物纤维上的应变负荷,从而扩大传感范围。高导电二维 MXene 片层可使传感网络具有较低的初始电阻。拉伸后片层间发生相对滑动使导电层电阻增加。较低的初始电阻可赋予导电层更高的相对电阻变化率。因此,该M/PF 毡应变传感器表现出优异的综合传感性能,包括超高的灵敏度、宽的传感范围,以及良好的稳定性,可实现对拉伸、弯曲、压缩等不同形变的检测。通过调节弹性体组分比例,可实现对灵敏度和传感范围的可控调节。同时,该 M/PF 毡传感器可应用于人体活动和各种生理信号的实时监测,在柔性可穿戴电子器件领域具有潜在的应用前景。

 

05

东华大学:东华大学制备三维弹性支架

 

近日,中国工程院院士俞建勇及东华大学纺织科技创新中心研究员丁彬带领的纳米纤维研究团队设计制备了一种以柔性无机纳米纤维为主体,且在体液中可形状恢复的三维纤维弹性支架。研究团队通过溶胶 - 凝胶静电纺丝法制备出了像丝绸一样柔韧的 SiO2纳米纤维膜,纤维膜可以折叠展开而不破损,纳米纤维可以弯曲180°而不断裂。团队进一步将柔性 SiO2纳米纤维复合壳聚糖溶液经过均质分散 - 冷冻干燥制备出具有超弹性的 SiO2纳米纤维 - 壳聚糖(SiO2 NF-CS)三维支架。

该支架在水环境中 80% 应变循环压缩下可完全恢复到初始高度和多孔结构,且压缩循环 10000 次仍结构完好。良好的回弹性使 SiO2 NF-CS 纤维支架可在压缩状态下植入不同形状的兔下颌骨缺损区域,吸收体液后快速恢复到初始形状并紧密贴合骨缺损区。同时 SiO2 NF-CS 支架可提高大鼠颅骨损伤修复效果。研究人员通过进一步控制不同区域 SiO2纳米纤维与壳聚糖的比例,构建了从有机到无机、从柔软到坚硬的梯度纤维支架,在软组织与骨界面处的骨缺损修复中展现出巨大的应用潜力。

该工作将柔性无机纳米纤维引入到骨组织工程支架弹性材料的开发设计中,实现微创植入,减少手术创面;同时促进骨再生,加快骨愈合进程,从而减少骨损伤患者的痛苦,为新型骨修复材料的研究和设计提供了指导和借鉴意义。

 

06

加利福尼亚大学:可穿戴热电器件实现个性化温度调节

 

近日,美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校研发了一款可穿戴的“空调”,它只需要数分钟和少量的能量消耗,就能使人的皮肤保持在舒适的温度范围。据了解,这种可穿戴的“空调”,实际上是一种可实现高效长期温度调节的柔性热电器件(TED)。当环境温度在 22℃ ~36℃范围内变化时,该器件能以最低能耗使皮肤温度保持在 32℃左右,且有效时间长达 8 小时以上。

研究者采用了一种全新的设计,在双层弹性体之间加入刚性无机高热电优值的热电柱以及空气绝缘绝热层,并优化了宽高比和空间密度,同时最大限度地提高柔性和减少热泄漏,最终大大地提高了冷却性能。为了展示该电子器件对人体皮肤的个性化温度调节,研究者将 TED、温控电路、柔性电池集成到弹性尼龙带上制成可穿戴设备,并通过红外进行温度检测。受试者暴露在 22℃ ~36 ℃的温度范围环境中,无论环境温度如何改变,TED 在 2min 内达到设定值,将皮肤保持在舒适温度(32 ℃)。

据相关研究人员介绍,一个 5 cm × 5 cm 的柔性 TED功率仅 0.2W,研究者们预测一个“空调”背心大约需要144 片这样的柔性 TED,这就意味着在炎热的夏天,保持一个人凉爽可能只需要不到 30W 的功率,即使在极端的高温下,也只需要 80W。与传统的空调设备比较将大大节省能量消耗,同时又可在室外使用。该研究成功为功能性可穿戴设备的研究提供了新方向。

 

07

Alaka'i Technologies公司:碳纤维“飞行汽车”问世

 

美国马萨诸塞州的一家初创公司Alaka'i Technologies最近推出了一款由碳纤维复合材料制成的氢燃料电池驱动的电动垂直起降“飞行汽车”Skai。这是一架复合型五座客机,主要由碳纤维复合材料制成,并且完全由氢燃料电池驱动。

据称,Skai的氢燃料电池95%可重复使用,99%可回收利用,它只排放热量和水,使Skai能够行驶更远的距离(飞行时长最长4小时,大约400英里),并比传统燃料系统的飞机携带更大的有效载荷。Alaka'i Technologies联合创始人、总裁兼首席技术官表示:“Skai在缓解交通拥堵,以及自然灾害期间运送物资等方面提供了切实可行的解决方案。Skai将在商业、私人、货运和个人航空运输市场上提供更平价、更实际的应用。”

 

08

麻省理工学院:配备 550 个传感器的可伸缩 TActile 手套

 

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(MIT-CSAIL)的研究人员开发出了一种低成本的传感器手套,旨在使人工智能能够“弄清楚”人类如何通过触摸识别物体。这款被称为可伸缩的TActile手套(STAG),使用了550个微小的压力传感器来制造改良后的机械手。

该团队从26个常见物体(如饮料罐、剪刀、网球、勺子、钢笔和马克杯)中收集了135000个视频帧。然后,神经网络将半随机帧与特定的夹点相匹配,直到建立了一个物体的完整图片——这与人们通过在手中滚动物体来识别物体的方式非常相似。类似的传感器手套价值数千美元,却只有50个传感器,而麻省理工学院的手套则采用现成的材料,成本仅为10美元。

 

09 

西北工业大学:3D 打印 + 仿生让人造骨“活”起来

 

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。我国每分钟就有7人因交通事故导致严重伤残,每年约有1000多万骨缺损患者。骨缺损修复重建一直是国际的临床难题。西北工业大学汪焰恩教授团队研制的3D打印活性仿生骨可在生物体内“发育”,做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致,已经到了“以假乱真”的程度。

经过多年探索,汪焰恩和他的学生已经能将羟基磷灰石、黏合剂、细胞液、蛋白液(生长因子)等按照不同个体的骨骼性质,对打印材料进行科学配比,从而打印最适合被植入个体的人造仿生骨。经过检测,该3D打印技术与其他类似3D打印技术相比,具有明显的技术优势,在西北工业大学与中国人民解放军空军军医大学的联合动物试验中,尚未发现排异反应的案例。

 

10

香港理工大学:“织物锂电池”带来舒适体验

 

近年来流行的穿戴式电子产品,如发热外套及鞋垫,虽然具备功能性,但是由于需要使用锂电池,且锂电池质地硬,因此这类穿戴式电子产品常会令使用者感觉不舒服。香港理工大学纺织及服装学系研发了一款超柔软“织物锂电池”,可折叠弯曲至直径约1毫米,重复折叠1000次仍无损性能,团队希望“织物锂电池”将来可应用于智能手表表带、发热衣物等,产品穿戴舒适之余也更耐用。

这款织物锂电池相比传统锂电池小且薄,厚度小于0.5毫米。因织物锂电池可以折叠弯曲,适用于制作智能手表表带,增加了智能手表储电量,令产品更耐用。“以往这些智能表充满电够用1天,用锂电池制作的表带,充电后最多可用2天才会没电。”研究人员表示。

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