新型服装纤维材料有哪些优点（或将引发智能衣服新变革）

导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）科学家们采用一种快速简便的途径，制造出超弹性、多元材料、高性能的纤维。这种纤维已经作为传感器用在机器人手指和衣服中。这一突破性方法为新型智能织物和医用植入物创造了条件。

背景

纤维，是纺织品中的一种重要成分。新型纤维的研发对于智能织物、智能可穿戴设备、柔性电子的发展都有着非常重要的意义与价值。为了更直观的展示新型纤维的作用，让我们一起回顾一下以往介绍过的经典案例：

1）美国北卡罗来纳州立大学开发的一种具有柔性和弹性的触敏纤维，它可以检测到触摸、张力与扭曲，应用于智能织物与可穿戴电子设备。

（图片来源：北卡罗来纳州立大学）

2）韩国科学技术院科研团队开发出一种位于超薄纤维上的高效有机发光二极管（OLED），它有望广泛应用于可穿戴的柔性显示设备。

（图片来源：KAIST）

3）美国莱斯大学的研究人员研发出由碳纳米管纤维制成的无线天线，性能堪比铜天线，而重量却只有铜天线的1/20。因为重量和柔性方面的优势，它有望应用于航空航天领域和可穿戴电子设备。

（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）

创新

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）科学家们采用一种快速简便的途径，制造出超弹性、多元材料、高性能的纤维。这种纤维已经作为传感器用在机器人手指和衣服中。这项突破性的方法为新型智能织物和医用植入物创造了条件。

（图片来源：JAlban Kakulya / EPFL）

这种纤维由 EPFL 光子材料和纤维设备实验室（FIMAP）开发，团队由 Fabien Sorin 带领。科学家们采用一种快速简便的方法，将不同种的微结构嵌入到超弹性纤维中。例如，他们通过在“关键位置”添加电极，将纤维转化为超灵敏的传感器。而且，他们的方法还可以在短时间内制造出几百米的纤维。

最近，这项研究的相关论文发表于《先进材料（Advanced Materials）》杂志。相关的专利已经提交申请。

技术

这是一种思考传感器的全新方式。EPFL 开发的这种微型纤维由弹性体制成，可以包含像电极和纳米复合聚合物之类的材料。即使最轻微的压力和应变，这种纤维也能检测到。此外，它在经受接近500%的变形之后，还可以恢复原状。所有这些都使它能够完美地应用于智能衣服、义肢和为机器人设计的人造神经等方面。

为了制造这种纤维，科学家们采用了一种热拉伸工艺，这是一种制造光纤的标准工艺。一开始，他们创造出了宏观的预制件，其中的各种纤维成分排列成精心设计的三维图案。然后，他们加热预制件，将它拉伸，就像熔融的塑料一样，从而制造出直径达几百微米的纤维。这一工艺纵向地拉伸纤维成分图案，同时也会横向地压缩纤维成分，也就是说纤维成分的相对位置保持不变。最终的成果是一组具有极度复杂微结构和高级特性的纤维。

迄今为止，热拉伸只能用于制造刚性纤维。但是，Sorin 及其团队却采用它制造弹性纤维。在新的材料选择标准的帮助下，他们可以识别出一些加热后具有高粘度的热塑性弹性体。在纤维受到拉伸后，它们会拉长和变形，但是却总能恢复其原始形状。

刚性材料，例如纳米复合聚合物、金属和热塑性塑料，以及可以轻易变形的液态金属，都会被引入到纤维中。Sorin 表示：“例如，我们可以在纤维的顶部添加三根电极，底部添加一根。纤维受到的压力多少，决定了不同的电极产生接触。例如，这将导致电极传递信号，这种信号被读取后，可以准确地判断出纤维受到了何种压力，例如压应力或剪应力。”

价值

科学家们与 Oliver Brock 教授（柏林工业大学机器人与生物实验室）合作，将这种纤维作为人造神经，集成到机器人手指中。每当手指触碰东西的时候，纤维中的电极就会传递机器人与周围环境之间的触觉交互信息。他们还有一种测试方法，就是将他们的纤维添加到大网眼衣服上，检测压力和拉伸。Sorin 表示：“例如，我们的技术可用于开发能直接集成到衣服中的触摸键盘。”

（图片来源：EPFL）

（图片来源：EPFL）

（图片来源：EPFL）

研究人员也看到了许多其他的潜在应用。尤其是，热拉伸工艺经过简单调整后可以用于量产。这对于制造业来说是一个真正的优势。纺织行业已经对于这项新技术展示出浓厚的兴趣。

关键字

纤维、智能织物、机器人、传感器、工艺

参考资料

【1】https://actu.epfl.ch/news/an-elastic-fiber-set-to-revolutionize-smart-clothe/

【2】Yunpeng Qu, Tung Nguyen-Dang, Alexis Gérald Page, Wei Yan, Tapajyoti Das Gupta, Gelu Marius Rotaru, René M. Rossi, Valentine Dominique Favrod, Nicola Bartolomei, and Fabien Sorin, “Super-elastic Multi-material Electronic and Photonic Fibers and Devices via Thermal Drawing”, Advanced Materials

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