你有沒有想象過有一件可以在無數(shù)次清洗、拉扯、剪碎甚至熊熊烈火中依舊可以存活的T恤？

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，下稱SEAS）和威斯生物啟發(fā)工程學(xué)院（the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering，下稱Wyss）的研究人員開發(fā)了一種超靈敏、彈性極強、可嵌入到紡織品和柔性機器人系統(tǒng)中的應(yīng)變傳感器。

依靠具有彈性的組件，這種未來的智能紡織品能絕大多數(shù)情況下保持原狀，該論文昨天發(fā)表于《Nature》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2892-6

一、“蛇形蜿蜒”碳纖維，實現(xiàn)傳感器高靈敏度

通常來說，現(xiàn)有智能穿戴中的傳感器都是“固定”在像纖維或者棉布等柔性材料，進而佩戴在身上，進行數(shù)據(jù)測量和收集。但這種“固定”的形式也注定傳感器嵌入柔性材料的方式、傳感器的功能等都會受到限制，但現(xiàn)有柔性傳感器卻難以在靈敏度和可多次折疊的耐用性之間達到平衡。

SEAS和Wyss的研究助理，該論文的第一作者Oluwaseun Araromi說：“當前的柔性張力傳感器確實很靈敏，但也很脆弱。問題在于靈敏度和耐用性的矛盾，高靈敏度傳感器通常很脆弱，但耐用傳感器靈敏度又不夠。因此，我們需要找到在實用和靈敏度中達到平衡的方案?！?/p>

最后，研究人員選擇了一個外觀和結(jié)構(gòu)類似于Slinky（螺旋彈簧玩具）的設(shè)計。

▲Slinky（螺旋彈簧玩具）

“Slinky是由剛性金屬制成的實心圓柱體，但是如果把圓形變成螺旋形狀，則可以拉伸，” Araromi說， “這就是我們的基本思路：我們讓剛性的碳纖維形成螺旋狀，這樣創(chuàng)造的傳感器就能輕易地拉伸。”

柔性傳感器的高靈敏性也是依賴于這個螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計。因為其螺旋起伏的形狀類似于蛇的滑行，研究人員將這種圖案稱為蛇形蜿蜒，并把該蛇形蜿蜒形狀的導(dǎo)電碳纖維放在兩個預(yù)應(yīng)變的彈性基底之間。

▲在兩個預(yù)應(yīng)變的彈性基底之間的蛇形蜿蜒形狀的導(dǎo)電碳纖維

就像只有當你拉扯Slinky兩端，才能讓它首尾相連一樣，根據(jù)碳纖維的“蛇形蜿蜒”是否相互接觸，該傳感器的導(dǎo)電性會發(fā)生變化。因為“蛇形蜿蜒”的高敏感性，所以即使外界應(yīng)力很小，該傳感器也能產(chǎn)生應(yīng)變。

▲在彎曲和扭轉(zhuǎn)下的傳感器

與當前的高靈敏度可拉伸傳感器需要依靠硅或金納米線等特殊材料不同，SEAS和Wyss研發(fā)的這款傳感器可以由任何導(dǎo)電材料制成，不需要特殊的制造工藝，甚至不需要無塵室。

二、靈敏度、耐用性并驅(qū)，或進入柔性傳感器新時代

Araromi目標中的柔型傳感器需要同時達到“指哪打哪”的高靈敏度和“無堅不摧”的耐用性。

為了測試傳感器的耐用性，研究人員用手術(shù)刀刺、用錘子敲、用汽車撞還扔進洗衣機洗十次，但傳感器在每次測試中都毫發(fā)無損。

為了證明其靈敏度，研究人員將傳感器嵌入到織物臂套中，并要求受試者穿戴該臂套，進行不同的手勢動作，包括握緊拳頭、張開手掌等。傳感器通過織物檢測到受試者前臂肌肉的細微變化，并用機器學(xué)習(xí)算法成功地對這些手勢進行分類。

▲不同手姿動作下，傳感器產(chǎn)生的電壓

“高靈敏性和耐用性的平衡代表著柔性傳感器進入了一個全新的階段?！?Araromi說。而且從虛擬現(xiàn)實、運動服飾到神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缗两鹕喜。┑呐R床診斷，嵌入有柔性傳感器的臂袖有無數(shù)應(yīng)用場合。

SEAS教授、該項目參與者之一Robert Wood說：“在保持柔型的同時具有高靈敏度是該傳感器的最大的優(yōu)點，但同樣也令人影響深刻的是，其材料及制造工藝的低廉成本，這會使得推廣該項技術(shù)更加容易。”哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室已為該項目申請相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)。

同為SEAS教授的Conor Walsh說：“由于該柔型傳感器可以緊密地貼合人體，我們目前正在探索如何將該傳感器嵌入到服裝中。通過配備有該柔型傳感器的衣物，我們可以隨時隨地進行生物力學(xué)和生理學(xué)測量，掌握大量第一手數(shù)據(jù)，這是用當前的方法不可能實現(xiàn)的?！?/p>

結(jié)語：“百折不饒”的柔性傳感器，會成為智能穿戴的答案嗎？

柔性傳感器一直被認為是能與周圍環(huán)境進行智能交互的潛力股，但由于其靈敏度與柔性難以兼得、難有符合條件的稀有材料和制造工藝，一直沒有出現(xiàn)低成本可推廣的解決方案。

哈佛大學(xué)的這項研究成果或為智能穿戴及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供了堅固的技術(shù)支持。

來源：ScienceDaily、Nature