你有沒(méi)有想象過(guò)有一件可以在無(wú)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(kāi)發(fā)了一種超靈敏、彈性極強(qiáng)、可嵌入到紡織品和柔性機(jī)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(lái)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(shí)現(xiàn)傳感器高靈敏度

通常來(lái)說(shuō)，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(jìn)而佩戴在身上，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)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(huì)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(dá)到平衡。

SEAS和Wyss的研究助理，該論文的第一作者Oluwaseun Araromi說(shuō)：“當(dāng)前的柔性張力傳感器確實(shí)很靈敏，但也很脆弱。問(wèn)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(shí)用和靈敏度中達(dá)到平衡的方案。”

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

▲Slinky（螺旋彈簧玩具）

“Slinky是由剛性金屬制成的實(shí)心圓柱體，但是如果把圓形變成螺旋形狀，則可以拉伸，” Araromi說(shuō)， “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?！?/p>

柔性傳感器的高靈敏性也是依賴于這個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因?yàn)槠渎菪鸱男螤铑愃朴谏叩幕?，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(gè)預(yù)應(yīng)變的彈性基底之間。

▲在兩個(gè)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(dāng)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(huì)發(fā)生變化。因?yàn)椤吧咝悟暄选钡母呙舾行?，所以即使外界?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(dāng)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(wú)塵室。

二、靈敏度、耐用性并驅(qū)，或進(jìn)入柔性傳感器新時(shí)代

Araromi目標(biāo)中的柔型傳感器需要同時(shí)達(dá)到“指哪打哪”的高靈敏度和“無(wú)堅(jiān)不摧”的耐用性。

為了測(cè)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(jìn)洗衣機(jī)洗十次，但傳感器在每次測(cè)試中都毫發(fā)無(wú)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(jìn)行不同的手勢(shì)動(dòng)作，包括握緊拳頭、張開(kāi)手掌等。傳感器通過(guò)織物檢測(cè)到受試者前臂肌肉的細(xì)微變化，并用機(jī)器學(xué)習(xí)算法成功地對(duì)這些手勢(shì)進(jìn)行分類。

▲不同手姿動(dòng)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(jìn)入了一個(gè)全新的階段。” Araromi說(shuō)。而且從虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)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(wú)數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

SEAS教授、該項(xiàng)目參與者之一Robert Wood說(shuō)：“在保持柔型的同時(shí)具有高靈敏度是該傳感器的最大的優(yōu)點(diǎn)，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(huì)使得推廣該項(xiàng)技術(shù)更加容易?！惫鸫髮W(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)辦公室已為該項(xiàng)目申請(qǐng)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

同為SEAS教授的Conor Walsh說(shuō)：“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(guò)配備有該柔型傳感器的衣物，我們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行生物力學(xué)和生理學(xué)測(cè)量，掌握大量第一手?jǐn)?shù)據(jù)，這是用當(dāng)前的方法不可能實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

結(jié)語(yǔ)：“百折不饒”的柔性傳感器，會(huì)成為智能穿戴的答案嗎？

柔性傳感器一直被認(rèn)為是能與周圍環(huán)境進(jìn)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(méi)有出現(xiàn)低成本可推廣的解決方案。

哈佛大學(xué)的這項(xiàng)研究成果或?yàn)橹悄艽┐骷跋嚓P(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供了堅(jiān)固的技術(shù)支持。

來(lái)源：ScienceDaily、Nature