仿生蠶絲電子織物
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-20
仿生蠶絲電子織物的實例教程
可穿戴的生物電子能夠隨形地、實時地檢測人體健康狀況，受到了科學家們的廣泛關注。特別是近年來，可穿戴汗液傳感器的興起，使得無創地追蹤各種生理指標成為現實。但是，在長期監測過程中，傳感器下方積累的汗液會極大地影響設備濕熱舒適性。因此，如何改善用戶的穿戴體感，同時保證優異的傳感性能成為當前急需解決的問題。
基于上述背景，深圳大學醫學部許太林和張學記教授團隊通過優化傳感器的表面浸潤性來實現這一目的。該團隊選取具有良好的生物相容性和優異力學性能的天然蠶絲織物作為整個傳感器的核心材料，利用低表面能的十八烷基三氯硅烷（OTS）和蠶絲織物上絲素蛋白（Fibroin）產生的化學反應，制備了超疏水的蠶絲基底。隨后，只對疏水蠶絲織物的一側進行等離子體（Plasma）處理，形成類似荷葉的一面疏水一面親水結構，即Janus 蠶絲織物（Janus silk textile）。因其正反兩側極端的表面能差異，這種Janus silk具有單向輸水特性，可將水分從疏水側泵送至親水側，反之則不行。
圖 1 Janus silk textile的表征和單向輸水特性
研究團隊巧妙地利用這種單向輸水性質為表皮營造了良好的濕熱舒適性：相較于傳統織物，Janus silk textile將汗液更充分地從皮膚側（疏水側）排至環境側（親水側），消除了汗液在皮膚上的滯粘，營造了干爽的穿戴體感。
展開 中國是蠶絲的發源地，種桑養蠶制絲織綢是我國古代對世界物質文明和精神文明的重大貢獻。在智能紡織品萌芽和發展的今天，如能賦予桑蠶絲新的功能，無疑會為絲綢業的發展注入新的活力。然而，目前報道的再生蠶絲往往具有脆性，這限制了其在柔性電子紡織品中的實際應用。
為了開拓桑蠶絲在智能纖維領域的運用，清華大學的張瑩瑩課題組利用靜電紡絲技術將桑蠶絲材料與碳納米管相結合，成功在蠶絲纖維中嵌入了超強導電的碳納米管纖維，從而制得了超柔、超輕、超強的桑蠶絲纜線。此外，研究人員展示了這種智能蠶絲的防水濺功能。進一步的，他們展示了這種纖維在柔性電子織物中的運用，所得的電子織物具備了智能變色、無線充電等功能。
▲導電蠶絲制備示意圖
該導電桑蠶絲表現出高電導（31000 S/m）、高機械強度（16 cN/tex）、優異的耐疲勞性（1000次彎曲）和耐濕性（RH=70%）。作為柔性電子織物，該導電桑蠶絲還具有良好的透氣性和質輕的特點。加之桑蠶絲本身的天然材料屬性，這種桑蠶絲在穿戴電子織物中具有很大優勢。
此外研究人員表示，這種利用靜電紡絲制備包芯結構纖維的方法也可用于制造其他功能纖維。期待該類智能纖維有朝一日為傳統紡織產業帶來顛覆性的變化。
相關研究報告以Splash-Resistant and Light-Weight Silk-Sheathed Wires for Electronic Textiles為題發表于《Nano Letters》雜志，文章的第一作者是清華大學博士研究生訚哲，通訊作者是張瑩瑩。
展開 近期，南方科技大學材料科學與工程系副教授郭傳飛課題組在仿生微結構柔性電子皮膚領域取得重要進展，研究成果發布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。
郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結構薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學、生物醫學和納米能源領域的應用。
郭傳飛
觸覺是生物體表感受器受壓力或牽引力作用而引起的，它是生物體從外界環境獲得信息的重要手段之一。電子皮膚的研究具有重要意義。例如：穿戴假肢可以幫助肢體殘疾人士實現某些操作需求，但市場上的產品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實現感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號轉換電信號的電子器件，在可穿戴電子設備、健康監測、運動監測、智能假肢、人機交互、以及人工智能等領域有著巨大的應用前景。研究已經證明微結構能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結構、微球等已經被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結構通常通過傳統的光刻技術、化學刻蝕方法，制備過程復雜、耗時、價格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當前的一大挑戰。
為了降低制備成本、提高器件傳感性能，郭傳飛課題組從荷葉的超疏水性來源于其表面的微納米結構中受到啟發，用自然材料作為模板來制備表面微結構。取大自然中的植物作為原始模板、復寫出植物表面的微結構并噴涂柔性銀納米線電極，構建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron.
展開 研究人員基于此方案，使用纖維編織了一些電子組件，其可靠性和耐用性得到了整體提高。最后，他們還使用導電粘合劑和激光焊接技術將多個光纖組件連接在了一起。
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。
展開 （圖片來源：利默里克大學）
創新
近日，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位于布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學院及研究機構 Swerea IVF 合作，開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。研究結果發表于“自然合作期刊”（Nature Partner journal）《柔性電子（Flexible Electronics）》。
（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學）
技術
查爾姆斯理工大學研究員 Anja Lund 和 Christian Müller 開發出一種在拉伸或者受到壓力時能夠發電的織物。目前，這種織物產生的電力足以點亮一盞LED燈、發送無線信號或者驅動小型電氣單元，例如口袋計算機或者數字手表。
這項技術也是基于壓電效應（piezoelectric effect），它會通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產生電力。在這項研究中，研究人員通過將壓電紗線與導電紗線（用于傳輸生成的電流）編織到一起做成一種織物。
Lund 表示：“這種織物是柔軟的，并且在潮濕時效率更高。為了論證研究成果，我們采用了單肩包肩帶上的一片織物。包越重，含這種織物越多，那么我們能獲取到的能量也越多。當包內裝有3公斤書籍時，我們可以產生4毫瓦的連續輸出，這足以間歇地為一盞LED燈供電。通過這種織物做成一個完整的包，我們能夠獲取到足夠的能量來傳送無線電信號。”
（圖片來源：參考資料【2】）
壓電紗線由24根纖維組成，每一根纖維都像一縷頭發那樣細。當纖維變得足夠潮濕時，會在液體中變得封閉，且紗線會變得更加高效，因為這樣改善了纖維之間的電氣接觸。
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郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結構薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學、生物醫學和納米能源領域的應用
不久前，美國明尼蘇達大學Michael McAlpine研究團隊在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上發表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究團隊通過一種復合材料3D打印機以及導電的油墨材料，在玻璃半球的自由曲面上制造出圖像傳感陣列。
本期，3D科學谷就與谷友一起來了解明尼蘇達大學團隊在制造3D打印仿生眼時所使用的3D打印技術。
電子技術與生物學相融合
隨著世界文明的進程，纖維革命已在悄然醞釀之中，纖維被賦予感知和信息處理功能，從而使于人們息息相關的日常服飾擁有智慧、應答與反饋能力。智能紡織品應運而生，智能纖維作為智能紡織品的一部分，是指既能夠感知到外界環境或內部狀態變化、刺激，并能夠做出反應（ 響應） 的纖維，是真正意義上的智能可穿戴產品。遺憾的是傳統服裝行業的纖維雖然具有各種優良性能，但并不具有導電性，所以無法實現智能化。
自古以來，中國生產的絲綢以其色澤光麗
導讀
近日，瑞典科學家開發出一種能將動能轉化為電能的織物?？椢锸艿降呢摵稍酱?，變得越濕潤，產生的電力也越多。
背景
壓一下某種材料，就會產生電力？聽上去有點不可思議，但這正是所謂的“壓電效應”向我們所展示的。
（圖片來源：維基百科）
壓電效應（piezoelectric effect），簡單說，就是指對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓
