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瑞士洛桑联邦理工学院开发出嵌入电极的超灵敏、超弹性纤维
2018-05-30 来源:中国流变网    点击次数:50次    

  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。研究成果近日发表在Advanced Materials上。

  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。”

  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。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201707251

 
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