仿生蠶絲電子織物的案例
：具有高度濕熱舒適性的仿生Janus蠶絲電子織物用于高效汗液傳感
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(xué)家們的廣泛關(guān)注。特別是近年來，可穿戴汗液傳感器的興起，使得無創(chuàng)地追蹤各種生理指標(biāo)成為現(xiàn)實。但是，在長期監(jiān)測過程中，傳感器下方積累的汗液會極大地影響設(shè)備濕熱舒適性。因此，如何改善用戶的穿戴體感，同時保證優(yōu)異的傳感性能成為當(dāng)前急需解決的問題。
基于上述背景，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部許太林和張學(xué)記教授團隊通過優(yōu)化傳感器的表面浸潤性來實現(xiàn)這一目的。該團隊選取具有良好的生物相容性和優(yōu)異力學(xué)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(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，制備了超疏水的蠶絲基底。隨后，只對疏水蠶絲織物的一側(cè)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(jié)構(gòu)，即Janus 蠶絲織物（Janus silk textile）。因其正反兩側(cè)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(cè)泵送至親水側(cè)，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(zhì)為表皮營造了良好的濕熱舒適性：相較于傳統(tǒng)織物，Janus silk textile將汗液更充分地從皮膚側(cè)（疏水側(cè)）排至環(huán)境側(cè)（親水側(cè)），消除了汗液在皮膚上的滯粘，營造了干爽的穿戴體感。
展開 清華大學(xué)張瑩瑩課題組：桑蠶絲智能纖維與織物
中國是蠶絲的發(fā)源地，種桑養(yǎng)蠶制絲織綢是我國古代對世界物質(zhì)文明和精神文明的重大貢獻。在智能紡織品萌芽和發(fā)展的今天，如能賦予桑蠶絲新的功能，無疑會為絲綢業(yè)的發(fā)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(yīng)用。
為了開拓桑蠶絲在智能纖維領(lǐng)域的運用，清華大學(xué)的張瑩瑩課題組利用靜電紡絲技術(shù)將桑蠶絲材料與碳納米管相結(jié)合，成功在蠶絲纖維中嵌入了超強導(dǎo)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(dǎo)電蠶絲制備示意圖
該導(dǎo)電桑蠶絲表現(xiàn)出高電導(dǎo)（31000 S/m）、高機械強度（16 cN/tex）、優(yōu)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(dǎo)電桑蠶絲還具有良好的透氣性和質(zhì)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(yōu)勢。
此外研究人員表示，這種利用靜電紡絲制備包芯結(jié)構(gòu)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(tǒng)紡織產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性的變化。
相關(guān)研究報告以Splash-Resistant and Light-Weight Silk-Sheathed Wires for Electronic Textiles為題發(fā)表于《Nano Letters》雜志，文章的第一作者是清華大學(xué)博士研究生訚哲，通訊作者是張瑩瑩。
展開 南科大郭傳飛課題組：仿生電子皮膚研究取得重要進展
近期，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授郭傳飛課題組在仿生微結(jié)構(gòu)柔性電子皮膚領(lǐng)域取得重要進展，研究成果發(fā)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(jié)構(gòu)薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和納米能源領(lǐng)域的應(yīng)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(huán)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(xiàn)某些操作需求，但市場上的產(chǎn)品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實現(xiàn)感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號轉(zhuǎn)換電信號的電子器件，在可穿戴電子設(shè)備、健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、智能假肢、人機交互、以及人工智能等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。研究已經(jīng)證明微結(jié)構(gòu)能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結(jié)構(gòu)、微球等已經(jīng)被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結(jié)構(gòu)通常通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)、化學(xué)刻蝕方法，制備過程復(fù)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(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。
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(jié)構(gòu)中受到啟發(fā)，用自然材料作為模板來制備表面微結(jié)構(gòu)。取大自然中的植物作為原始模板、復(fù)寫出植物表面的微結(jié)構(gòu)并噴涂柔性銀納米線電極，構(gòu)建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron.
展開 可穿戴｜劍橋大學(xué)開發(fā)新型電子織物，可被制成電視功能窗簾或智能衣物
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(dǎo)電粘合劑和激光焊接技術(shù)將多個光纖組件連接在了一起。
結(jié)合這些技術(shù)，研究人員最終通過現(xiàn)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(shù)制造的智能織物可以用作顯示器、監(jiān)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(xiàn)有成熟紡織工藝制造的。可以想象，未來我們可以用這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(yīng)用鋪平了道路，應(yīng)用領(lǐng)域包括可以產(chǎn)生和儲存自身能源的智能和節(jié)能建筑、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)和交互式顯示器等領(lǐng)域。
“我們的這種方法建立在微納米技術(shù)、顯示器、傳感器、能源技術(shù)和現(xiàn)有紡織制造工藝的融合之上，”劍橋大學(xué)工程系與Luigi Occhipinti博士以及Manish Chhowalla教授共同領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Jong min Kim教授說道，“這是我們朝著在日常應(yīng)用中充分利用可持續(xù)、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(shè)計和制造出全新類別的智能設(shè)備和系統(tǒng)，”同樣來自劍橋大學(xué)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(lián)網(wǎng)設(shè)備無縫集成到日常物品和許多其他行業(yè)應(yīng)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(shù)用到人們?nèi)粘＝佑|的生活物品上。另外，他們還有一個研究方向——將一些可持續(xù)材料整合為纖維，進而提供一種新型能源紡織系統(tǒng)。
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壓電織物：將機械能轉(zhuǎn)化為電能，為小型電子設(shè)備供電！
（圖片來源：利默里克大學(xué)）
創(chuàng)新
近日，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology ）的科研人員與位于布洛斯市（Bor?s ）的瑞典紡織學(xué)院及研究機構(gòu) Swerea IVF 合作，開發(fā)出一種能將動能轉(zhuǎn)化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產(chǎn)生的電力也越多。研究結(jié)果發(fā)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(xué)）
技術(shù)
查爾姆斯理工大學(xué)研究員 Anja Lund 和 Christian Müller 開發(fā)出一種在拉伸或者受到壓力時能夠發(fā)電的織物。目前，這種織物產(chǎn)生的電力足以點亮一盞LED燈、發(fā)送無線信號或者驅(qū)動小型電氣單元，例如口袋計算機或者數(shù)字手表。
這項技術(shù)也是基于壓電效應(yīng)（piezoelectric effect），它會通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產(chǎn)生電力。在這項研究中，研究人員通過將壓電紗線與導(dǎo)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(dāng)包內(nèi)裝有3公斤書籍時，我們可以產(chǎn)生4毫瓦的連續(xù)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(fā)那樣細。當(dāng)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。
展開 融合電子與生物學(xué)，看3D打印仿生眼背后的3D打印技術(shù)
不久前，美國明尼蘇達大學(xué)Michael McAlpine研究團隊在《先進材料》(Advanced Materials)期刊上發(fā)表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究團隊通過一種復(fù)合材料3D打印機以及導(dǎo)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(xué)谷就與谷友一起來了解明尼蘇達大學(xué)團隊在制造3D打印仿生眼時所使用的3D打印技術(shù)。
電子技術(shù)與生物學(xué)相融合
McAlpine研究團隊所從事的領(lǐng)域?qū)儆趯⑸?em>電子學(xué)領(lǐng)域，他們通過復(fù)合材料3D打印技術(shù)，在自由曲面和基底上制造打印納米級的電子油墨。通過3D打印技術(shù)，研究團隊能夠?qū)⒂性?em>電子設(shè)備與生物學(xué)相結(jié)合，制造自由幾何形狀的仿生器官，例如仿生眼、智能假肢。
明尼蘇達大學(xué)Michael McAlpine的團隊正在研究多種3D打印材料，用于制造生物電子裝置，左邊第一張圖即為前不久發(fā)布的3D打印仿生眼。圖片來源：明尼蘇達大學(xué)。
生物體的器官、組織是柔性的、三維的，并且對溫度敏感，而通常功能電子器件是平面的、剛性的，如果通過常用技術(shù)來制造仿生電子裝置，與生物學(xué)(人體)的器官、組織的特性并不相符。
3D科學(xué)谷了解到，明尼蘇達大學(xué)研究團隊解決以上問題的方式是使用3D打印技術(shù)，提供自由幾何形狀的制造。該方法解決了許多可能性：（1）使用3D打印實現(xiàn)個性化的多功能設(shè)備架構(gòu); （2）采用納米油墨作為引入各種材料功能的有利途徑; （3）3D打印一系列功能性墨水，以實現(xiàn)從生物到電子的各種材料的交織。
3D打印提供了一個多尺度平臺，可以結(jié)合功能納米級墨水，創(chuàng)建微尺度特征，并最終創(chuàng)建宏觀打印對象。
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