電子織物
關注創建者：匿名 創建時間：2022-02-15
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 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 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 首席研究員Yoshiro Tajitsu在接受雜志采訪時說：“我們的研究目標是開發功能性服裝，有時還與電子織物有關?！闭劦郊夹g的未來，他補充說：“我們相信，有了人機設備，用戶可以與外部設備以自然的方式交流，不會因為復雜的運動受到限制或者受到阻礙?！?Yoshiro Tajitsu還說，電子織物必須舒適、時尚。如果想說服用戶購買衣服，這是必要的一步。研究人員用新面料編織了三種傳統日本裝飾結(也就是Kame，Kicchyo和Awaji)，日本人用這些裝飾結制作和服，給婦女穿。
Kame和Kicchyo裝飾結會產生強大的信號，變成電能，足以讓傳感器運作，讓手機拍出自拍照，只需要扭曲衣服的裝飾結就行了。
從時尚角度看，可以將新技術放進健康設備中，比如用來監視病人的關鍵身體信號。
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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因此，開發集柔性、透氣性、可拉伸的電磁屏蔽和個人被動熱管理能力于一體的可穿戴電子織物具有很大的應用前景，但如何實現拉伸過程中仍能保持穩定的電磁屏蔽性能以及成功集成個人熱管理能力仍然具有挑戰性。
本研究設計了一種新型一維紗線基汗液激發電池（SAB），它可作為生物相容性好、可靠性佳的電源整合到電子織物中，在自供能人體運動監測和醫療保健領域具有極大應用潛力。西南大學材料與能源學院魯志松教授與喬琰副教授為共同通訊作者，2019級博士生肖剛和2019級碩士生巨俊為本文的共同第一作者。
最終，他們借助這些顯示屏在織物上方顯示出電子郵件或消息、時間、天氣或其他形式的基本信息通知。
圖 2 Janus silk textile用于皮膚濕熱管理
作者進一步將市售的導電碳漿涂覆在經六氟異丙醇（HFIP）處理的蠶絲紗線表面，制成汗液傳感電極并編織在Janus silk textile親水一側，得到Janus 蠶絲基的電子織物（Janus silk E-textile）。
https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/
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（a）傳統織物和（b）MXene/nanoPE織物覆蓋的人體皮膚上的傳熱示意圖；（c） MXene/ nanoPE織物的制備流程圖；（d）NanoPE和MXene/nanoPE織物的電子圖片。（e）大尺寸MXene/nanoPE織物的電子圖片；（f）NanoPE和（g）MXene/nanoPE織物的SEM圖和水接觸角。
圖3.
其中，基于織物的可穿戴電子產品因其具有質輕、良好的柔韌性和生物相容性、可水洗性及內在的保暖舒適特性而備受人們青睞。
近年來，課題組在該領域取得了一系列研究成果：利用工業級的紡絲設備實現可拉伸兩棲能源紗線的連續化與規模化生產(Nature Communications, 2019, 10, 868)；以“全纖維”為設計原則，開發了具有濕熱穩定性和舒適性的摩擦/鐵電協同電子織物(Nature communications, 2019, 10, 5541)；耦合毛細效應，制造了新型鐵電增強型摩擦電吸濕快干紡織品(Advanced
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。
