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西工大黄维院士、王学文教授等AM:新型智能电子衣服

2022-04-01 137 字号

研究背景

纤维基电子材料是可穿戴电子系统的重要和最基本的组成部分,因为纤维状的形状使它们很容易被集成到可穿戴设备中,而且它们显示出突出的结构灵活性、机械性能,如大应变范围、韧性和超强的强度,对于它们作为导电和敏感材料的性能非常重要。由于牺牲网络的分子和结构设计,聚合物基的纤维可以达到1200%的伸展性,而且它们具有绝缘性能。然而,本征导电聚合物的拉伸范围通常小于200%,这要归因于聚合物内大量的刚性分子图案。增加聚合物的导电性会导致拉伸伸展性下降,而改善拉伸性能会导致强度下降。已有一些策略被引入以增加聚合物纤维的拉伸性能。首先,通过将导电材料,如金属薄膜和碳纳米管(CNT) 涂覆在预拉伸的聚合物纤维上,可以制成可拉伸的导电纤维,它具有较大的拉伸范围,可以拉伸到初始预应变值。另一种方法是通过在可拉伸聚合物中掺杂和嵌入导电材料来制造延展性导电纤维。然而,导电材料降低和破坏了这些可拉伸材料的机械性能,因此,导电纤维的机械强度有限。最近,人工蜘蛛丝聚合物被开发出来,其机械强度约为1.5Gpa,接近于钢丝的强度,但其最大延展性被限制在40%。因此,延展性和强度是相互矛盾的,这使得开发一种既有强韧性又有大延展性的材料很困难,特别是对于导电材料。导电纤维的机械强度和韧性应接近织物,以满足可穿戴电子设备的耐久性和稳定性要求。


研究成果

具有高强度和大伸展性的纤维材料是高性能可穿戴电子设备的一个重要组成部分。可穿戴电子系统需要一种强度高的材料,以确保耐用性和稳定性,并需要有广泛的应变能力以扩大其应用范围。然而,制造同时具有高机械强度和拉伸性能的纤维材料仍然是一个挑战。在此,西北工业大学柔性电子研究院黄维院士、王学文教授和北京理工大学预聘教授宋维涛团队合作开发了超强度(~17.6 MPa) 和可延伸(~700%) 的导电微纤维,并展示了它们在制造纤维状机械传感器方面的应用。该机械传感器在检测应变方面显示出高灵敏度,同时具有高应变分辨率和大检测范围(从0.0075%到400%)。此外,还可以检测到0至40 Hz之间的低频振动,这涵盖了人体发生的大多数震颤。作为进一步,利用纤维状机械传感器开发了可穿戴的智能健康监测系统,该系统能够监测与健康有关的生理信号,包括肌肉运动、身体震颤、手腕脉搏、呼吸、手势和六个身体姿势,以预测和诊断疾病,这将促进可穿戴远程医疗技术。相关研究以“Ultra-Robust and Extensible Fibrous Mechanical Sensors for Wearable Smart Healthcare”发表在Advanced Materials期刊上。


研究亮点

1. 开发了新型聚氨酯聚合物(ASC)与碳纳米管(CNT)层复合而成的纤芯具有较高的应变范围(~700%)和较高的强度(~17.6 MPa),同时具有较高的应变分辨率和较大的检测范围(0.0075% ~400%)。2. 通过导电微纤维开发了一种灵活的纤维状机械传感器,它在检测微应变和振动等机械信号方面具有很高的灵敏度3. 设计并演示了一个可穿戴的健康监测系统,能够实时监测人体的健康相关生理信号,包括手腕脉搏波、呼吸、人体肢体行为和人体运动分析。


图文导读

Figure 1. Synthesis and characterization of a PU-based conducting microfiber.

Figure 2. The fibrous mechanical sensor in detection of strain.


Figure 3. Low-frequency vibration monitoring by fibrous mechanical sensor.


Figure 4. Wearable healthcare system in monitoring physiological signals.


Figure 5. Wearable smart healthcare system in tracking body postures.


总结展望

作者制备了超坚固和可伸展的导电纤维,其机械强度为17.6 Mpa,伸展性为760%,这对可穿戴电子设备来说是很有希望的。纤维状机械传感器在检测微应变(0.0075%) 和振动(低于40 Hz)方面的出色能力,使得这种传感器可用于跟踪和评估与人类健康有关的微弱生理信号。此外,还展示了一个由分布式传感器网络组成的可穿戴医疗系统,以监测生理信号和身体姿势。在获得尽可能多的健康信息和使用尽可能少的传感器之间存在着一种权衡。预计纤维状的机械传感器可以被缝在衣服里,形成智能电子服装,这将在未来实现评估人类健康的新方式。


文献链接

Ultra-Robust and Extensible Fibrous Mechanical Sensors for Wearable Smart Healthcarehttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107511
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