新型电子织物:自供电、可洗涤、灵敏度高!

2018-06-14 19:28:13     来源: 贤集网

近日,来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学、重庆大学、北京服装学院、服装材料研究开发与评价北京市重点实验室、美国佐治亚理工学院的科研人员开发出一种新型电子织物,它不仅可以实现自供电,而且还是高度灵敏及可洗的。


背景


电子织物(E-textiles),有时也被称为“智能服装”、“智能织物”,目前是一个非常热门的话题,它通过创新的方式促成传统纺织行业与新兴电子行业的融合。


简单说,电子织物既可以由各种各样的导电材料制成,例如导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案和导电叠片,也可以带有各种电子元器件,例如传感器、集成电路、LED、OLED、电池等等。


首先,让我们回顾一下以往介绍过的有关“智能织物”的经典研究案例:


1)韩国科学技术院(KAIST)电气工程学院教授Kyung Cheol Choi领导的科研团队通过将OLED(有机发光二极管)集成到织物中,开发出了世界上最具柔性,可靠性最高的可穿戴显示器。

可穿戴显示器

(图片来源:KAIST)


2)美国俄亥俄州立大学的研究人员以0.1毫米的精度,将电路绣进布料中。如此高的精度,有望实现将传感器、内存等电子设备集成到衣物中。

将电路绣进布料中


3)美国北卡罗来纳州立大学开发出一种兼具柔性和弹性的触敏纤维,它可以检测到触摸、张力与扭曲,可作为电子设备的人机交互接口,应用于智能织物与可穿戴电子设备等多个领域。

一种兼具柔性和弹性的触敏纤维



4)美国华盛顿大学开发出一种新型智能织物,它可以制成智能衣服,存储不可见的密码,用于打开公寓或者办公室的大门;或者缝到手套的指尖部位,用于智能手机的手势控制。

一种新型智能织物


5)美国德雷塞尔大学的一组研究人员设计出一种类似织物材料的电极,用它可以制作成能量存储设备,例如电池和超级电容,更加快速、更不易泄露或者发生灾难性崩溃。

一种类似织物材料的电极


6)谷歌公司的提花布Jacquard项目,该项目在纺织品内编织导电纱线,使衣服具有触摸敏感性与交互性,如同触摸屏一般。

提花布Jacquard项目


7)瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)科学家们采用一种简单快捷的方法制造出超弹性、多元材料、高性能的纤维。这种纤维可作为传感器用于机器人手指和智能衣服。

超弹性、多元材料、高性能的纤维


8)英国剑桥大学、中国、意大利的研究人员展开合作,利用传统的喷墨打印技术以及廉价、安全、环境友好的石墨烯油墨,将可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上,为未来智能织物和可穿戴电子设备的制造又带来了一种新方案。

可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上


9)瑞典科学家开发出一种能将动能转化为电能的压电织物,织物受到的负荷越大,变得越湿润,产生的电力也越多。

一种能将动能转化为电能的压电织物


10)新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家设计出一种织物般的电源,它经过剪切、折叠或者拉伸后并不会丧失功能。

一种织物般的电源



11)美国乔治亚理工学院的研究人员开发了一种纤维织物,可以同时从阳光和运动中得到能量,为可穿戴设备、智能手机、智能设备等电子产品供电,且成本低廉,可进行规模化生产。

纤维织物从阳光和运动中得到能量


12)美国得克萨斯大学达拉斯分校(UTD)和韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队开发出最新的高科技纱线“Twistron”,它可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。

高科技纱线“Twistron”


通过以上丰富的案例,我们能够充分领略电子织物的诸多功能,例如:信息显示、信息通信、信息存储、人机交互、能量存储等等。未来,电子织物势必在可穿戴电子、智能硬件、传感器、物联网、医疗等多个领域起到越来越重要的作用。


创新


今天,让我们再关注一项有关“电子织物”的创新研究案例。


近日,来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学、重庆大学、北京服装学院、服装材料研究开发与评价北京市重点实验室、美国佐治亚理工学院的科研人员开发出一种新型电子织物,它不仅可以实现自供电,而且还是高度灵敏及可洗的。


(图片来源:美国化学学会)


相关研究论文发表于《ACS Nano》杂志。研究人员包括:Ran Cao、Jiaona Wang,Hengyu Guo,Congju Li等人。


技术


电子织物并不是新概念,但是现有的大多数版本具有以下缺点:透气性差,无法洗涤,成本太高、难以量产。因此,科研人员们开发的这种新型电子织物,旨在克服以上所有这些限制因素,而且对于人类的触摸具有高灵敏度。


研究人员们通过将导电的碳纳米管电极阵列沉积到尼龙织物上,制造出一种自供电的摩擦电纳米发电机。为了使得电子织物变得可洗,他们将聚氨酯材料(polyurethane)混合到碳纳米管油墨中,使得纳米管牢牢地附着于织物。他们用一块丝绸覆盖电极阵列,并将织物做成腕套。当手指通过不同的方式在电子织物上划动时,电子织物将会产生与计算机耦合的电信号来控制程序或者家用电器,例如打开房间另一侧的灯、风扇或者微波炉。


价值


根据研究人员的说法,这种电子织物不仅对人类皮肤来说是透气的而且可以洗涤,此外量产成本也较低。由此看来,这种电子织物未来有望为可穿戴设备、智能家居、物联网等领域带来新的应用。

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