特拉華大學研發(fā)出超薄柔性碳納米管壓力傳感器，智能服裝可能用得到

當下，不少紡織企業(yè)已經以自動化、信息化、智能化為突破口，謀求轉型升級的新發(fā)展。日前，特拉華大學（University of Delaware）的一組工程師利用在棉花、尼龍和羊毛等各種纖維上制作出柔性碳納米管復合涂層的方法開發(fā)下一代智能紡織品。新型傳感器可以測量很大范圍的壓力變化，可以測量從輕觸指尖的微小壓力到驅動叉車的巨大壓力之間的變化。他們的成果以“超薄柔性碳納米管壓力傳感器”為題，發(fā)表在“ACS傳感器”雜志上。

未來的“智能服裝”可能會使用這種具有傳感技術的織物，帶有傳感器的鞋子的鞋底或衣服，可隨時檢測人體運動狀態(tài)。

SagarDoshi（左）和埃里克·托斯滕森測試配備了他們的新型傳感器的肘部袖子

碳納米管賦予這種織物涂層輕便、靈活、透氣的特性，同時具有非凡的傳感能力。這種織物涂層被擠壓時，很容易測量出其中明顯的電學變化。

特拉華大學機械工程系和材料科學與工程系的副教授埃里克·托斯滕森（Erik Thostenson）表示：“作為傳感器，它對從觸摸級到噸級的力都非常敏感?！?/p>

他們的研究小組利用聚乙烯亞胺功能化碳納米管的電泳沉積技術（EPD），在纖維上制備了神經狀導電納米復合涂層。

托斯滕森表示：“這些薄膜的作用就像一種染料，增加了電感應功能。我的實驗室開發(fā)的EPD工藝創(chuàng)造了這種非常均勻的，可以與纖維表面牢固地結合在一起納米復合涂層。該EPD工藝具有工業(yè)級的擴展性，可以滿足未來各種生產應用的需求。”

目前，研究人員可以使用這種涂層將傳感器添加到織物上，比現(xiàn)有的其他制造智能紡織品的方法優(yōu)越。指導特拉華大學多功能復合材料實驗室工作的托斯滕森解釋說：“現(xiàn)有的其他技術，比如電鍍金屬纖維技術或同時編織針織纖維和金屬絲的技術，會降低織物的舒適性和耐久性。”

托斯滕森小組開發(fā)的納米復合涂層具有良好的柔韌性和觸摸感，并已在Kevlar、羊毛、尼龍、氨綸和聚酯等多種天然和合成纖維上進行了測試。涂層只有250到750納米厚，大約是一張紙厚度的0.25%到0.75%，并且只會給傳統(tǒng)的鞋或衣服增加大約1克的重量。此外，用于制作傳感器涂層的材料價格低廉，相對環(huán)保：它們可以在室溫環(huán)境下以水作為溶劑進行加工。

開拓全新的應用

傳感器涂層織物的一個潛在應用是測量人們走路時腳上的力量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助臨床醫(yī)生評估患者受傷后的損傷情況，或者幫助運動員預防受傷。這個應用的開發(fā)工作是特拉華大學INBRE資助的一個試點項目的一部分，托斯滕森的研究小組正在與特拉華大學的機械工程學教授、神經肌肉生物力學實驗室主任吉爾·希金森（Jill Higginson）的小組合作，攻克其中的難點。他們的目標是拿這些嵌入鞋子里的傳感器，與傳統(tǒng)的生物力學實驗室技術如儀器式跑步機和運動捕捉等進行對比，看是否具備獨特的性能優(yōu)勢。

人們在實驗室進行測試的時候是知道自己正在被監(jiān)視的，但在實驗室之外，測試者心理狀況不同可能會導致其行為是不同的。

托斯滕森說：“我們設計了一個解決方案，在實驗室之外進行測試并獲取數(shù)據(jù)：穿戴有這些新穎的紡織品的測試者走在街上、家里、任何其他地方的時候，才開始記錄他們的數(shù)據(jù)。”

特拉華大學的機械工程博士、論文的主要作者SagarDoshi，在項目中負責的是制造傳感器、優(yōu)化它們的靈敏度、測試它們的力學性能、并將它們集成到鞋子中。他已經在進行初步測試的人員身上佩戴了傳感器。他們到目前為止已經獲取了兩種數(shù)據(jù)：傳感器收集的數(shù)據(jù)和需要花費數(shù)千美元的實驗室設備壓力板收集的數(shù)據(jù)。

Doshi表示：“這種低成本的傳感器薄而且靈活，所以有可能制造出集成有電子產品的定制鞋類和服裝，用來存儲日常生活中的運動數(shù)據(jù)。研究人員或治療師可以對這些數(shù)據(jù)進行分析，以評估運動效果或者降低醫(yī)療成本?！?/p>

這項技術在運動醫(yī)學、手術后恢復以及評估兒童運動障礙方面也有很大的應用前景。

位于威爾明頓的阿爾弗雷德·杜邦兒童醫(yī)院兒童臨床研究和發(fā)展中心主任、特拉華大學材料科學和工程學院的附屬生物醫(yī)學工程和生物科學系教授羅伯特·阿金斯說：“想要在短時間內實現(xiàn)從現(xiàn)實環(huán)境中收集兒童的運動數(shù)據(jù)是很有挑戰(zhàn)性的。這種薄薄的、靈活的、高度敏感的傳感器可以幫助物理治療師和醫(yī)生遠程評估孩子的運動情況。這意味著臨床醫(yī)生可以收集更多的數(shù)據(jù)，并可能以一種成本效益更高的方式收集到更好的數(shù)據(jù)，而不需要病人像傳統(tǒng)的方法那樣頻繁地出入診所?！?/p>

跨學科的合作對于發(fā)展未來應用是至關重要的。工程師在特拉華大學有一個能夠同教師和學生合作交流的獨特機會。這些老師和同學來自特拉華大學的健康科學學院，負責科學、技術和校園先進研究（STAR）項目的工作。

Doshi表示：“我們作為工程師能夠開發(fā)出新的材料和傳感器，但我們并不總是完全理解醫(yī)生、理療師和病人所面臨的關鍵問題。我們與他們合作，致力于解決他們所面臨的問題，引導他們找到一個現(xiàn)在已有的解決方案，或者制定一個創(chuàng)新的解決方案來解決這個問題。”

托斯滕森的研究小組還計劃將基于納米管的傳感器用于其他應用，如結構健康監(jiān)測。

托斯滕森表示：“我們長期以來一直在研究碳納米管和基于納米管的復合傳感器。我們通過與土木工程研究人員合作，率先開發(fā)出了柔性納米管傳感器，用來檢測橋梁和其他大型結構中存在的裂縫?！?/p>

我感興趣的復合材料的開發(fā)方向之一是如何在不同的長度范圍內設計和使用這些材料：從宏觀部分的幾何形狀如飛機部件、飛機機翼、汽車零部件的水平到織物結構、纖維級別的水平?，F(xiàn)在，碳納米管和石墨烯等納米增強材料為我們定制材料的結構和功能特性提供了另一個物理層次的幫助。我們的研究雖然可能是基礎性的，但人們看到了這項研究的廣泛應用的潛力。特拉華大學的復合材料研究中心（UD-CCM）有著通過學校的工業(yè)聯(lián)盟將實驗室的基礎研究發(fā)現(xiàn)轉化為商業(yè)產品的悠久歷史。