智能織物
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-13
智能織物的實例教程
結合這些技術，研究人員最終通過現有成熟的、可擴展的紡織品制造工藝將多種功能模塊整合到一塊大尺寸的智能織物上。
由此技術制造的智能織物可以用作顯示器、監控各種輸入或存儲能量以備后用。該織物可以檢測射頻、觸摸、光線和溫度信號。它也可以卷起來，因為它是使用現有成熟紡織工藝制造的?？梢韵胂螅磥砦覀兛梢杂眠@種方式制造大尺寸可卷起的功能性織物。
研究人員表示，他們的這種織物顯示器原型為下一代電子紡織品應用鋪平了道路，應用領域包括可以產生和儲存自身能源的智能和節能建筑、物聯網 (IoT)、分布式傳感器網絡和交互式顯示器等領域。
“我們的這種方法建立在微納米技術、顯示器、傳感器、能源技術和現有紡織制造工藝的融合之上，”劍橋大學工程系與Luigi Occhipinti博士以及Manish Chhowalla教授共同領導這項研究的Jong min Kim教授說道，“這是我們朝著在日常應用中充分利用可持續、便捷電子纖維和電子紡織品方向邁出的重要一步，而且這也僅僅是個開始。”
“通過集成基于光纖的電子、光子、傳感和能源功能，我們可以設計和制造出全新類別的智能設備和系統，”同樣來自劍橋大學工程系的Occhipinti博士說，“通過釋放紡織品制造的全部潛力，我們很快就會看到自供電物聯網設備無縫集成到日常物品和許多其他行業應用中?！?目前，這些研究人員正在與歐洲的一些合作者展開合作，以期望將該技術用到人們日常接觸的生活物品上。另外，他們還有一個研究方向——將一些可持續材料整合為纖維，進而提供一種新型能源紡織系統。據他們說，這些柔性和功能性智能織物最終可以制成電池、超級電容器、太陽能電池板和其他設備等。
展開 作為人類文明的象征之一，纖維和織物伴隨了人類幾千年的發展歷程（圖1）。纖維的直徑通常為幾微米到幾百微米，具有很高的長徑比。從幾千年前進入人類生活的蠶絲、棉、麻等天然纖維，發展到如今現代工業化生產的化工纖維，纖維在日常生產和生活中無處不在，它們可以被制作成紡織品，用于服裝或結構材料，不僅可用于人體穿戴起到防護、保暖和裝飾作用，還可用于航空、建筑、醫療保健等諸多領域。
圖1 纖維和織物的發展歷史：過去、現在和未來。
近年來，具有傳感、致動等功能的智能纖維和織物正在逐漸登上歷史舞臺。隨著人類文明的進步，社會對柔性可穿戴電子技術的需求日益增長。柔性可穿戴電子產品可以實時監測人體生理信號、運動信息和環境信息，服務于智慧醫療與個人健康管理。傳統的電子設備通常體積大、柔性差，不能滿足可穿戴智能產品的要求。與之相比，纖維和織物具有柔軟、透氣、輕質等特點，是可穿戴電子產品的理想形態。因此，近幾年智能纖維和織物的發展吸引了全球科技工作者和產業界的大量關注。
智能纖維和織物是指具有傳感、致動、通訊、適應、記憶、自修復、學習、能量管理（收集或儲存）等功能的纖維和織物。智能纖維和織物的發展是紡織技術與化學合成、材料科學、電子、信息、人工智能等諸多領域交叉融合的結果。通過將傳統纖維或織物進行物理或化學修飾，或將電子器件嵌入其中，人們逐漸實現了多種多樣的智能纖維或織物的制備。隨著科技發展，纖維和織物的功能和性能日新月異，從最初的單一功能逐步向多功能發展，并不斷有新的功能被發展和實現（圖2）。
展開 特別是柔性、可形變、持久耐用，透氣和易制備的纖維織物產品，幾十年來一直是可穿戴電子織物和電子皮膚領域的研究熱點。隨著制備工藝的快速發展，可穿戴織物電子產品在人工智能、人機交互、大數據管理、物聯網等領域扮演著越來越重要的作用。但就現有技術而言，開發出可以模擬生物體感知功能，同時超越生物感知能力的織物傳感器，仍然是一個巨大的挑戰。
武培怡教授課題組近年來報道了一系列用水凝膠和彈性體材料來模擬生物皮膚和組織的力學、傳感、和刺激響應特性：實現了離子皮膚的多功能性制備(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134; ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868; Mater. Horiz. 2019, 6, 538-545; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018)。同時，課題組成員近幾年推成出新，努力進取，將多功能傳感能力積極拓展到溶劑識別(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)和信息智能加密和傳輸、危險預警等應用領域 (Adv. Mater. 2021, 33, 2008479; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)。
近期，武培怡教授團隊利用濕法紡絲技術制備了一種具有多功能感知能力的Kevlar/MXene (KM)智能可穿戴纖維織物。該纖維織物可被多次清洗和縫織。依托相應的智能口罩，可以對人體呼吸進行實時監控，從而以高精度和便攜性檢測潛在的健康問題，為疾病判斷和實現遠程診療提供了重要參考。同時，該團隊還開發了一種溫度響應的智能纖維織物手套，通過預知周圍潛在危險來防止人體受到傷害。
展開 大部分智能穿戴材料通過集成電子元件和感應器來達到測量和通訊的目的。然而，這些穿戴材料的力學特性在制造以后通常是不可變的。可控剛度織物在軟的狀態下可以作為柔性的可穿戴材料，變硬以后能夠起到保護和支撐作用。這種先進材料可廣泛應用于醫療器件，外骨骼設備，機器人等領域中。
8月11日，美國加州理工學院Chiara Daraio教授和新加坡南洋理工大學機械航空學院王一凡教授合作在頂級綜合期刊《Nature》上發表了一種基于拓撲互鎖顆粒材料的可3D打印智能織物。該織物由古代的鏈甲（鎖子甲）啟發，由三維結構顆粒之間的拓撲互鎖連接而成。將該織物封裝進柔性氣囊并加負壓后，互鎖顆粒之間的接觸點數急劇增加形成阻塞相變（jamming transition），大幅提高織物的剛度和強度。南洋理工大學王一凡助理教授（原加州理工博士后）和加州理工博士生李柳池為論文共同一作，加州理工學院Chiara Daraio教授為論文通訊作者。
圖一 拓撲互鎖智能織物的示意圖以及剛度的控制
如圖一所示，設計好的智能織物由中空的正八邊形顆粒組成，并可以用激光燒熔打印技術(Selected Laser Sintering)將整張織物一次打印。由于顆粒中空的架構，整張織物密度很小（~0.2g/cm3），與傳統織物類似，并且相當柔軟。當織物封裝于柔性氣囊并加負壓后，剛度增加25倍以上并能承受大于本身50倍的重量。
圖二 不同顆粒架構形成的織物彎曲剛度和顆粒接觸點數的關系。
展開 這一突破性方法為新型智能織物和醫用植入物創造了條件。
背景
纖維，是紡織品中的一種重要成分。新型纖維的研發對于智能織物、智能可穿戴設備、柔性電子的發展都有著非常重要的意義與價值。為了更直觀的展示新型纖維的作用，讓我們一起回顧一下以往介紹過的經典案例：
1）美國北卡羅來納州立大學開發的一種具有柔性和彈性的觸敏纖維，它可以檢測到觸摸、張力與扭曲，應用于智能織物與可穿戴電子設備。
（圖片來源：北卡羅來納州立大學）
2）韓國科學技術院科研團隊開發出一種位于超薄纖維上的高效有機發光二極管（OLED），它有望廣泛應用于可穿戴的柔性顯示設備。
（圖片來源：KAIST）
3）美國萊斯大學的研究人員研發出由碳納米管纖維制成的無線天線，性能堪比銅天線，而重量卻只有銅天線的1/20。因為重量和柔性方面的優勢，它有望應用于航空航天領域和可穿戴電子設備。
（圖片來源：Jeff Fitlow / 萊斯大學）
創新
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）科學家們采用一種快速簡便的途徑，制造出超彈性、多元材料、高性能的纖維。這種纖維已經作為傳感器用在機器人手指和衣服中。這項突破性的方法為新型智能織物和醫用植入物創造了條件。
（圖片來源：JAlban Kakulya / EPFL）
這種纖維由 EPFL 光子材料和纖維設備實驗室（FIMAP）開發，團隊由 Fabien Sorin 帶領?？茖W家們采用一種快速簡便的方法，將不同種的微結構嵌入到超彈性纖維中。例如，他們通過在“關鍵位置”添加電極，將纖維轉化為超靈敏的傳感器。而且，他們的方法還可以在短時間內制造出幾百米的纖維。
最近，這項研究的相關論文發表于《先進材料（Advanced Materials）》雜志。相關的專利已經提交申請。
技術
這是一種思考傳感器的全新方式。
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此外，在概念驗證研究中，CPI氣凝膠織物可以與形狀記憶材料集成，構建智能熱管理織物，用于個人熱管理。我們的研究為開發氣凝膠纖維和紡織品提供了一種可擴展的生產方法，以滿足先進的應用場景。
這種開發氣凝膠纖維的方法擴大了高性能聚合物纖維的應用范圍，在未來可穿戴智能防護織物的應用中具有很大的潛力。
因此，最終的智能織物表現出多響應刺激特性(電/熱/光子)。凱夫拉納米纖維(Kevlar nanofiber, KNF)是一種具有優良機械性能的理想紡織纖維。鑒于其優勢，通過濕紡和PEG真空浸漬工藝制備仿生KNF基相變纖維(圖8c,d)。綜上所述，蛛網狀結構纖維約束是近十年來最具吸引力的PCMs包封技術。
因此，最終的智能織物表現出多響應刺激特性(電/熱/光子)。凱夫拉納米纖維(Kevlar nanofiber, KNF)是一種具有優良機械性能的理想紡織纖維。鑒于其優勢，通過濕紡和PEG真空浸漬工藝制備仿生KNF基相變纖維(圖8c,d)。綜上所述，蛛網狀結構纖維約束是近十年來最具吸引力的PCMs包封技術。
根據外媒Science Daily報道，該團隊由劍橋大學領導，研究人員表示這種方案可能會實現原本只能出現在科幻小說里的應用，比如兼具有電視功能的窗簾、能收集能量的地毯以及交互式、自供電型服裝或智能織物。
這是該領域第一次完全基于傳統紡織工藝制造出的集成大尺寸復雜系統、可擴展的智能織物。這項研究成果以論文的形式發表在了《自然通訊》期刊上。
該研究為柔性傳感器的設計提供了指導，也為下一代可穿戴設備、智能織物、軟體機器人等的發展奠定了基礎。
當PW@H-KAFs彎曲剛度低于臨界值（1.22×10-9 N·m2）時，其在智能調溫織物領域顯示出巨大應用潛力；當PW@H-KAFs彎曲剛度高于此臨界值，其可用作形狀記憶材料，并進一步設計成動態抓手，用于特殊物體輸運。
因此，近幾年智能纖維和織物的發展吸引了全球科技工作者和產業界的大量關注。
智能纖維和織物是指具有傳感、致動、通訊、適應、記憶、自修復、學習、能量管理（收集或儲存）等功能的纖維和織物。智能纖維和織物的發展是紡織技術與化學合成、材料科學、電子、信息、人工智能等諸多領域交叉融合的結果。
高彈性體、塑料、顆粒、智能金屬和織物等都可以用來制作軟體機器人。目前，研究人員也相繼研發了一些新的材料，為制作軟體機器人提供了更多可能。
1.1 現有材料
目前制作軟體機器人的材料主要包括高彈性體、塑料、顆粒和織物，其中具有高彈性的硅膠是制作軟體機器人使用最多的材料。市面上所售的硅膠種類繁多，德國Waker公司和美國Smooth-on公司生產的硅膠材料是在軟體機器人領域應用最廣泛的。
圖一 拓撲互鎖智能織物的示意圖以及剛度的控制
如圖一所示，設計好的智能織物由中空的正八邊形顆粒組成，并可以用激光燒熔打印技術(Selected Laser Sintering)將整張織物一次打印。由于顆粒中空的架構，整張織物密度很小（~0.2g/cm3），與傳統織物類似，并且相當柔軟。
