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未来5年内自供电织物触摸传感器将颠覆电子纺织品行业

2020年01月11日 09:16 次阅读

研究人员发明自供电织物触摸传感器,将其用于智能人机交互界面。制造出了可用作人类活动检测器的形状适应性电子纺织品(简称“SET”),将聚四氟乙烯(PTFE)和银(Ag)纱线通过绕线机依次缠绕在轴向金属化银纱线上。

当提到可穿戴设备时,大多数人会想到戴在手腕上的智能手表、健身监视器和心率监测器等。然而,可穿戴设备市场已经远远超越了这些标准设备,在多个不同领域的新兴市场已经暂露头脚。能够提供医疗保健功能的智能服装便是众多新型市场中的一个,它是将电子产品编织到衬衫、毛毯、绷带、针织帽或裤子中,以此来执行特定的护理功能。

智能服装也可以被称作电子纺织品,目前正处于发展的初级阶段,在医院和其他护理机构的实际应用非常少。然而,这项技术的潜力是巨大的,许多医疗机构和医疗设备制造商都在积极寻找智能服装的试点项目,并研究最新的电子纺织技术。实际上,智能服装在医疗保健领域有着这样的期望——在未来5年里,它将颠覆整个行业。

迄今为止,在日常生活中,已经出现了许多可穿戴电子设备,例如衣服,眼镜,手表,甚至是智能传感器。但是上述设备通常需要电池作为电源,缺少灵活性和轻便性。此外,可穿戴电子设备在透气性,柔韧性和轻量化方面仍然面临巨大挑战。另一方面,智能触摸感应系统对于人机交互界面至关重要,尽管人造皮肤传感器具有高灵敏度和形状适应性的优点,但它们在皮肤友好性、透气性和舒适性方面仍需要很大的改进。

考虑到制备过程的特点,SET可以简单地大规模集成到织物/布料中。首先,制成的SET具有空气超透气性,高灵敏度,快速响应时间和稳定的输出性能。其次,制作出的SET还可以灵敏地主动监视人体的运动,这为用作自供电主动运动传感器提供了潜在的应用。

为了满足可穿戴电子设备的柔韧性,透气性和柔软性的要求,SET采用同轴纺织材料制成,具有芯-壳和正交结构,如图1a所示,共三层。外层和内层均为银(Ag)丝,充当电极。中间层是作为摩擦层的PTFE纱线。编织机用于将单线编织在一起并形成核壳结构。PTFE纱线和外部Ag细丝之间的PVA用于增加接触分离距离并确保输出性能。最后,通过针将制成的SET进一步编织成可穿戴的多功能纺织品,以从人体运动中获取机械能。SET的横截面形态如图1b-(i)所示。可以清楚地看到,在外银丝和PTFE层之间有一些孔,这有助于增加接触面积。此外,编织SET(尺寸为9×6 cm2)的外观如图1b- (ii)所示。

未来5年内自供电织物触摸传感器将颠覆电子纺织品行业

图1. SET的结构示意图和工作机制。 a)具有同轴结构的SET的示意图。 b)横截面的光学显微镜照片和SET纺织品的光学照片。 c)SET的示意性工作原理。

SET的工作机制是基于摩擦电器件的四种工作模式的垂直接触分离模式。由于介电PTFE材料和导电Ag电极之间的摩擦极性差异很大,因此可以轻松地进行电荷转移。图1c显示了接触分离过程中发电进度的电荷分布。一旦PTFE纱线接触/分离银丝,由于电势差,电荷将在摩擦层和电极之间转移。通常,在几个摩擦循环后,PTFE和Ag织物会彼此获得相同数量的正电荷和负电荷。在正常状态下,当没有在同轴设备上施加压力时,外部银不会与PTFE接触,因此在两个电极之间既不会产生电荷也不会产生电荷的转移(图1c-(i))。一旦外部Ag到达PTFE,电子将从内部Ag电极流到外部Ag电极,以平衡PTFE层与外部Ag电极之间的电势差(图1c-(ii))。但是,当外部Ag电极与PTFE完全接触时,电路中将没有电流,因为结合的电荷在两层表面上保持中和,如图1c-(iii)所示。此外,当外部Ag电极远离PTFE层时,电子将流回内部Ag电极(图1c-(iv))。如上所述,说明了SET垂直接触-分离模式整个周期的信号产生过程。图2表明了对SET性能的研究。

未来5年内自供电织物触摸传感器将颠覆电子纺织品行业

图2. SET的电气输出性能。 a – c)示出了在10N,7N和5N的不同编织张力下的单一复合纤维表面的SEM图像,随着张力的降低,外层银纱线将变得致密。 d)SET在不同电阻下的输出性能,电流和功率取决于各种负载电阻,在电阻达到10MΩ之前,SET的Isc几乎稳定。 e)Voc和f)Isc在不同张力下的输出性能。 g)Voc和h)Isc的信号具有不同的PVA层,制造了不同层的PVA纱线以比较它们的能量收集能力。

得益于针织物优异的柔软性,柔韧性和透气性,SET可应用于各种弯曲的情况。图3a,b所示,分别显示了在各种曲率下的SET的图片以及其在曲率范围为4-7 cm 时,Voc和Isc信号。可以看出,输出的Voc和Isc符号将随着曲率的增加而减小,这是因为较高的弯曲度确保了Ag和PTFE之间足够的接触面积。此外,SET已经在不同变形条件下的可穿戴电子设备中得到了广泛的应用。图3c显示了SET如照片当中揉搓时的Voc大小,其峰值约为4V。同样,图3d – f是肌肉,肘部和手腕扭曲时SET相应的照片及其Voc大小。值得注意的是,肌肉和腕部过程的实时Voc信号不像另外两个过程那样规则,因为接触-分离这两个过程并不完整且不明显。此外,肘部扭转时,Voc信号达到约5.8 V的最大值,因为高强度确保了完全的接触-分离和进一步足够的接触面积。还可以在不同的手动条件下测量输出性能,证明了其在可穿戴电子设备中的广泛应用。

未来5年内自供电织物触摸传感器将颠覆电子纺织品行业

图3. SET的输出性能。 SET具有不同曲率的输出:a)Voc; b)Isc的曲率范围为4至7 cm。 c)揉搓时输出SET的Voc。 d – f)SET在身体运动监测中的应用:d)肌肉,e)肘部,f)手腕。

学术研究机构正在努力的发展智能服装,并正在致力于商业化,高科技面料以及微电子技术的进步,正在为与健康相关的电子纺织品提供更多的发展机会。

目前,很多想法已经着手进行试点,比如用于缓解慢性背痛的T恤、用来监测慢性肺部疾病患者呼吸速率的衬衫、用于监测孕妇子宫收缩和胎儿心率的腹带、供糖尿病患者使用的压力监测袜子以及为严重心脏病患者提供的带有电击功能的衬衫。

一些专家认为,在医院里,智能衣服将有望完全取代用于追踪心率、血压和氧气含量的床边监测设备。最近,在智能服装中整合手势识别的想法已经引起了Google – Levi项目组的兴趣,他们为自行车骑行者提供了具有手势识别功能的夹克。许多专家认为手势识别能够在智能服装领域找到它的一席之地,这项技术可以供截瘫患者使用,也可以为患有中风或心脏病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未来的五年里,这些价格低廉、技术成熟的产品将很难被超越。

触觉反馈或在用户界面中使用触摸感知,这在电子纺织品中有将很大的前景,因为它可以很容易小型化,不需要移动机械部件。触觉反馈将被用于电动肌肉刺激(EMS),它可以感知病人肌肉所产生的从小到大的力量。有触觉反馈技术的智能衣服可以在任何时候,用在身体的任何部位,用来刺激肌肉运动或康复。

责任编辑:gt

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