科學(xué)家開發(fā)出嵌入電極的超靈敏、超彈性纖維

近日,Fabien Sorin領(lǐng)導(dǎo)下的EPFL的光子材料和纖維設(shè)備實驗室(FIMAP)提出了一種制備柔性傳感器的新思路?？茖W(xué)家們開發(fā)了一種可以快速簡便地將不同種類的微結(jié)構(gòu)嵌入超彈性纖維中的方法,從而由彈性體制成了其中包含電極和納米復(fù)合材料等的纖維。這種纖維甚至可以檢測到最輕微的應(yīng)力與應(yīng)變,并且在承受接近500%的變形后仍能恢復(fù)初始形狀。通過在關(guān)鍵位置添加電極,可以將纖維變?yōu)槌`敏的傳感器。這使它們成為制造智能服裝和假肢的理想選擇,還可以為機(jī)器人制造人造神經(jīng)。更重要的是,這種方法可在短時間內(nèi)生產(chǎn)數(shù)百米的纖維。研究成果近日發(fā)表在Advanced Materials上。

制備：加熱后拉伸工藝

科學(xué)家們使用了熱拉伸工藝來制備這種纖維,他們首先制造了一個宏觀的粗加工產(chǎn)品,其中各種各樣的纖維組件排列在一個精心設(shè)計的3D模具中,然后加熱并拉伸,像熔化的塑料一樣,制成直徑數(shù)百微米的纖維。雖然拉伸延長了縱向長度,但也發(fā)生了橫向收縮,這意味著部件的相對位置保持不變,最終得到具有極其復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的高性能纖維。

一直以來,熱拉伸都只能用于制造剛性纖維。但Sorin和他的團(tuán)隊使用這種技術(shù)生產(chǎn)了彈性纖維。在選材新標(biāo)準(zhǔn)的幫助下,他們能夠確定一些加熱后具有高黏度的熱塑性彈性體。纖維被拉伸后會發(fā)生拉伸變形,但最終總能恢復(fù)到原來的形狀。

納米復(fù)合材料聚合物、金屬和熱塑性塑料等剛性材料可以引入纖維中。Sorin表示：“例如,我們可以在纖維的頂部添加三個電極串,在底部添加一個電極串。不同的電極會根據(jù)施加到纖維上的壓力發(fā)生接觸,此時電極會發(fā)出一個信號,通過讀取該信號就可以確定纖維的受力類型,如壓縮應(yīng)力或剪切應(yīng)力?！?/p>

應(yīng)用：機(jī)器人的人工神經(jīng)

通過與柏林技術(shù)大學(xué)機(jī)器人與生物學(xué)實驗室的Oliver Brock博士/教授合作,科學(xué)家將他們制造的纖維作為人造神經(jīng)集成到了機(jī)器人手指中。當(dāng)手指接觸到某物時,光纖中的電極便會傳輸有關(guān)機(jī)器人與環(huán)境的觸覺交互信息。研究團(tuán)隊還將纖維添加到了大網(wǎng)眼的衣物中,以檢測衣物所受到的壓縮和拉伸力。Sorin說：“我們的技術(shù)可以用來開發(fā)一種直接集成到衣物中的觸摸鍵盤?！?/p>

研究人員還看到了這種纖維在其他許多方面的應(yīng)用潛力,特別是由于熱拉伸工藝可以輕松進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。毫無疑問,這對制造業(yè)來說是一個好消息。該項技術(shù)已經(jīng)提交了專利,并引起了來自紡織領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)的濃厚興趣。